ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЗАДЕРЖКИ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ Российский патент 2015 года по МПК G01F25/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Природный газ транспортируют от места к месту посредством трубопроводов. Необходимо точно знать количество газа, протекающего в трубопроводе и, в частности, точность необходима при переходе текучей среды к другому владельцу, или при "передаче продукта". Однако даже при отсутствии передачи продукта необходима точность измерений, и в этих ситуациях могут быть использованы расходомеры.

[0002] Ультразвуковые расходомеры представляют собой один тип расходомера, который может быть использован для измерения количества текучей среды, протекающей в трубопроводе. Ультразвуковые расходомеры имеют достаточную точность для их использования при передаче продукта. В ультразвуковом расходомере акустические сигналы отправлены в одну сторону и в обратную сторону через поток текучей среды, который должен быть измерен. На основании параметров принятых акустических сигналов определена скорость потока текучей среды в расходомере. Объем текучей среды, протекающей через расходомер, может быть определен из определенных скоростей потока и известной площади сечения расходомера.

[0003] Время прохождения акустических сигналов в ультразвуковом расходомере содержит время, необходимое для перемещения сигналов через текучую среду, протекающую в расходомере, время, которое акустические сигналы затрачивают в преобразователях, которые создают и обнаруживают сигнал, и время, необходимое для обработки этих сигналов. Для точного определения скорости потока текучей среды и, таким образом, для определения ценности текучей среды должно быть точно определено время перемещения каждого из вышеописанных компонентов сигнала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРЕТЕЖЕЙ

[0004] Для подробного описания иллюстративных примеров реализации настоящего изобретения будет приведена ссылка на прилагаемые чертежи.

[0005] На фиг.1А показан вид в вертикальном разрезе ультразвукового расходомера в соответствии с различными примерами реализации.

[0006] На фиг.1B показан вид с торца в вертикальном разрезе ультразвукового расходомера, содержащего множество хордальных траекторий в соответствии с различными примерами реализации.

[0007] На фиг.1C схематически показан вид сверху ультразвукового расходомера в соответствии с различными примерами реализации.

[0008] На фиг.2 схематически показан вид в разрезе блока ультразвукового расходомера, выполненного с возможностью сухой калибровки, в соответствии с различными примерами реализации.

[0009] На фиг.3 показана структурная схема системы для выполнения сухой калибровки ультразвукового расходомера в соответствии с различными примерами реализации.

[0010] На фиг.4 показана блок-схема способа сухой калибровки ультразвукового расходомера в соответствии с различными примерами реализации.

[0011] Конкретные термины использованы в приведенном далее описании и формуле изобретения для приведения ссылки на конкретные компоненты системы. Специалисту в уровне техники будет очевидно, что компании могут приводить ссылку на компонент посредством различных названий. Данная заявка не предназначена для проведения различий между компонентами, которые отличаются в названии, а не в функциональности. В приведенном далее описании и формуле изобретения термины "включающий" и "содержащий" использованы в неограничивающем виде и, таким образом, должны быть интерпретированы как "включающий, но не ограниченный…". Кроме того, термин "соединены" или "соединен" означает непрямое или прямое соединение. Таким образом, если первое устройство или компонент соединен со вторым устройством или компонентом, то соединение может быть выполнено через прямое взаимодействие между ними или через непрямое соединение посредством других промежуточных устройств, компонентов и/или соединений.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Приведенное далее описание направлено на различные примеры реализации настоящего изобретения. Несмотря на то что по меньшей мере один из этих примеров реализации может представлять собой предпочтительный пример реализации, примеры реализации настоящего изобретения не должны быть интерпретированы или другим образом использованы для ограничения объема настоящего изобретения, включая формулу изобретения. Кроме того, специалисту в данной области техники будет понятно, что приведенное далее описание имеет широкое применение, а раскрытие любого примера реализации предназначено только для его иллюстративного описания и не предназначено для ограничения объема настоящего изобретения, включая формулу изобретения, ограничено этим примером реализации.

[0013] На фиг.1А и 1B показан пример реализации ультразвукового расходомера 110, иллюстрирующий основные компоненты и связи. Корпус 111 расходомера, подходящий для размещения между частями трубопровода, имеет предварительно определенный размер и задает центральный проход, через который протекает измеряемая текучая среда (например, газ и/или жидкость, которая должна быть измерена). Показанная пара преобразователей 112 и 113 и их соответствующие корпуса 114 и 115 размещены по длине корпуса 111 расходомера. Преобразователи 112 и 113 представляют собой акустические приемопередатчики и, в частности, ультразвуковые приемопередатчики, что означает, что они создают и принимают акустическую энергию, имеющую частоты, составляющие приблизительно 20 кГц. Акустическая энергия может быть создана и принята посредством пьезоэлектрического элемента в каждом преобразователе. Для создания акустического сигнала пьезоэлектрический элемент электрически возбужден посредством синусоидального сигнала и отвечает путем колебания. Колебание пьезоэлектрического элемента создает акустический сигнал, который совершает перемещение через измеряемую текучую среду к соответствующему преобразователю из пары преобразователей. Аналогичным образом, после воздействия акустической энергии (то есть акустического сигнала и других шумовых сигналов), принимающий пьезоэлектрический элемент совершает колебание и создает синусоидальный электрический сигнал, который определен, оцифрован и проанализирован посредством электронных устройств, связанных с расходомером.

[0014] Траектория 117, иногда называемая "хордой", проходит между иллюстративными преобразователями 112 и 113 под углом 9 к осевой линии 120. Длина "хорды" 117 представляет собой расстояние между лицевой поверхностью преобразователя 112 и лицевой поверхностью преобразователя 113. Точки 118 и 119 задают места, в которых акустические сигналы, созданные преобразователями 112 и 113, входят и выходят из текучей среды, протекающей через корпус 111 расходомера (то есть вход в отверстие корпуса расходомера). Положение преобразователей 112 и 113 может быть задано посредством угла 9, посредством первой длины L, измеренной между преобразователями 112 и 113, посредством второй длины Х, соответствующей осевому расстоянию между точками 118 и 119, и посредством третьей длины d, соответствующей диаметру внутренней части трубы. В большинстве случаев расстояния d, Х и L точно определены во время производства расходомера. Кроме того, преобразователи, такие как преобразователи 112 и 113, обычно расположены на конкретном расстоянии от соответственно точек 118 и 119 независимо от размера расходомера (то есть размера корпуса расходомера). Измеряемая текучая среда, такая как природный газ, протекает в направлении 122 со скоростным профилем 123. Вектора 124-129 скорости показывают увеличение скорости текучей среды через корпус 111 расходомера по направлению к осевой линии 120.

[0015] Сначала преобразователь 112 внизу по потоку создает акустический сигнал, который распространяется через текучую среду в корпусе 111 расходомера, а затем попадает на преобразователь 113 вверху по потоку и определяется в нем. Через короткий промежуток времени (например, в пределах нескольких миллисекунд), преобразователь 113 вверху по потоку создает отраженный акустический сигнал, который распространяется обратно через текучую среду в корпусе 111 расходомера, а затем попадает на преобразователь 112 внизу по потоку и зарегистрируется в нем. Таким образом, преобразователи 112 и 113 играют роль "питчера и кетчера" с сигналами 130 вдоль хордальной траектории 117. Во время работы данная последовательность может возникать тысячи раз в минуту.

[0016] Время прохождения акустического сигнала 130 (то есть время, необходимое для перемещения звуковой энергии) между преобразователями 112 и 113 частично зависит от того, совершает ли акустический сигнал 130 перемещение вверх по потоку или вниз по потоку по отношению к потоку текучей среды. Время прохождения для акустического сигнала, перемещающегося вниз по потоку (то есть в таком же направлении, как и поток текучей среды), меньше, чем время его прохождения при перемещении вверх по потоку (то есть против потока текучей среды). Время прохождения вверх по потоку и вниз по потоку для хорды могут быть использованы для расчета средней скорости потока текучей среды и средней скорости звука для хорды в измеряемой текучей среде.

[0017] Ультразвуковые расходомеры могут иметь по меньшей мере одну траекторию акустического сигнала. На фиг.1B показан вид в вертикальном разрезе одного конца ультразвукового расходомера 110. Как показано на фиг.1B, ультразвуковой расходомер 110 фактически содержит четыре хордальные траектории А, В, С и D на различных уровнях в корпусе 111 расходомера. Каждая хордальная траектория A-D соответствует паре преобразователей, представляющих собой в альтернативном варианте передатчик и приемник. Кроме того, показан блок 140 управляющих электронных устройств расходомера, который содержит управляющие электронные устройства, которые получают и обрабатывают данные от четырех хордальных траекторий A-D. На виде по фиг.1B скрыта четвертая пара преобразователей, которые соответствуют хордальным траекториям А-D.

[0018] Конструкция из четырех пар преобразователей может быть более легко понятна по отношению к фиг.1C. Четыре пары посадочных гнезд преобразователей выполнены на корпусе 111 расходомера. Каждая пара посадочных гнезд преобразователей соответствует одной хордальной траектории по фиг.1B. Первая пара посадочных гнезд 114 и 115 преобразователей содержит преобразователи 112 и 113 (фиг.1А). Преобразователи установлены под неперпендикулярным углом θ к осевой линии 120 корпуса 111 расходомера. Другая пара посадочных гнезд 134 и 135 преобразователей (только частично на виде) и связанные с ними преобразователи установлены таким образом, что их хордальная траектория приблизительно формирует форму "X" по отношению к хордальной траектории посадочных гнезд 114 и 115 преобразователей. Аналогичным образом, посадочные гнезда 138 и 139 преобразователей расположены параллельно посадочным гнездам 134 и 135 преобразователей, но на различном "уровне" (то есть различное радиальное положение в трубе или корпусе расходомера). На фиг.1C неявным образом показана четвертая пара преобразователей и посадочных гнезд преобразователей. При совместном рассмотрении фиг.1B и 1C пары преобразователей расположены таким образом, что верхние две пары преобразователей, соответствующие хордам А и В, формируют форму "X", а нижние две пары преобразователей, соответствующие хордам С и D, также формируют форму "X". Скорость потока текучей среды может быть определена в каждой хорде A-D для получения скоростей хордальных потоков, объединенных для определения средней скорости потока расходомера 110. Объемный расход через расходомер 110 представляет собой произведение средней скорости потока расходомера 110 и площади сечения расходомера 110.

[0019] Обычно, управляющие электронные устройства (например, блок 140 управляющих электронных устройств) приводят к возбуждению, приему преобразователями (например, 112, 113) выходного сигнала преобразователей, вычислению средней скорости потока каждой хорды, вычислению средней скорости потока расходомера и вычислению объемного расхода через расходомер. Объемный расход и возможные другие измеренные и вычисленные значения, такие как скорость потока и скорость звука, затем поданы на дополнительные устройства, такие как поточный компьютер, который выполнен внешним по отношению к расходомеру 110.

[0020] Согласно приведенному выше описанию, каждый ультразвуковой преобразователь 112, 113 обычно содержит пьезоэлектрический кристалл. Пьезоэлектрический кристалл представляет собой активный элемент, который излучает и принимает звуковую энергию. Пьезоэлектрический кристалл содержит пьезоэлектрический материал, такой как цирконат-титанат свинца (PZT), и электроды, расположенные на поверхности этого пьезоэлектрического материала. Электроды обычно представляют собой тонкий слой проводящего материала, такого как серебро или никель. Разность напряжений, прикладываемая между электродами, возбуждает электрическое поле в пьезоэлектрическом материале, что приводит к тому, что он изменяет форму и излучает звуковую энергию. Звуковая энергия, попадающая на пьезоэлектрический материал, приводит к тому, что этот пьезоэлектрический материал изменяет форму и создает напряжение между электродами. Пьезоэлектрический кристалл обычно герметизирован в эпоксидной смоле, которая удерживает пьезоэлектрический кристалл на месте, защищает его и обеспечивает согласующий слой для улучшения взаимодействия звуковой энергии между пьезоэлектрическим кристаллом и текучей средой в расходомере 110.

Для рассматриваемой хорды скорость хордального потока ν получена как

а хордальная скорость звука с получена как

причем L представляет собой длину траектории (то есть интервал один к одному между преобразователями вверху по потоку и внизу по потоку), Х представляет собой компонент L в отверстии расходомера в направлении потока, а T_up и T_dn представляют собой время прохождения звуковой энергии вверх по потоку и вниз по потоку через текучую среду.

[0021] Согласно формулам (1) и (2), скорость хордального потока и скорость звука зависят от времени прохождения сигнала 130 через текучую среду. Время прохождения, измеренное посредством электронных устройств 140 расходомера, однако, содержит время прохождения через текучую среду плюс некоторое дополнительное время, которое названо временем задержки. Данное время задержки должно быть вычтено из измеренного времени прохождения для получения точных значений скорости хордального потока и скорости звука.

[0022] Время задержки имеет два исходных компонента: 1) время, которое акустический сигнал 130 затрачивает в преобразователях, и 2) время, соответствующее обработке сигнала 130. Поскольку пьезоэлектрический кристалл преобразователя 112 не имеет прямого контакта с текучей средой, то время, которое занимает перемещение звуковой энергии от передающего пьезоэлектрического кристалла к текучей среде, и время, которое занимает перемещение от текучей среды к принимающему пьезоэлектрическому кристаллу, составляет время задержки.

[0023] Для каждой хорды может существовать два различных времени задержки, связанные с использованием преобразователей 112, 113 этой хорды. Время задержки вверх по потоку представляет собой время задержки при перемещении акустического сигнала 130 от положения внизу по потоку к преобразователю вверху по потоку (например, от преобразователя 112 к преобразователю 113), а время задержки вниз по потоку представляет собой время задержки при перемещении акустического сигнала 130 от положения вверху по потоку к преобразователю внизу по потоку (например от преобразователя 113 к преобразователю 112). В идеале, время задержки вверх по потоку и время задержки вниз по потоку должны быть идентичными, однако незначительные разницы в компонентах и конструкциях преобразователей 112, 113 вверху по потоку и внизу по потоку в сочетании с различными электрическими сопротивлениями в передающих и принимающих частях электронных устройств 140 расходомера вызывают небольшие различия между временем задержки вверх по потоку и временем задержки вниз по потоку.

[0024] Для пояснения небольшой разницы во времени задержки вверх по потоку и времени задержки вниз по потоку и ее воздействия на скорость хордального потока, время задержки вверх по потоку и время задержки вниз по потоку могут быть рассчитаны заново как среднее время задержки, которое представляет собой среднее от времени задержки вверх по потоку и времени задержки вниз по потоку, и время дельта-задержки, которое представляет собой разницу между временем задержки вверх по потоку и временем задержки вниз по потоку. Для преобразователей 112, 113, использованных в некоторых ультразвуковых расходомерах, среднее время задержки обычно составляет приблизительно 20 мкс, а абсолютные значения времени дельта-задержки обычно составляют менее 0,05 мкс, что демонстрирует то, что разница во времени задержки вверх по потоку и времени задержки вниз по потоку обычно по меньшей мере в 400 раз меньше времени задержки вверх по потоку или времени задержки вниз по потоку. Формулы (1) и (2) могут быть перезаписаны для включения среднего времени τ_avg задержки и времени дельта-задержки τ_delta:

и

причем $$T_{up}^m$$ и $$T_{dn}^m$$ представляют собой измеренные время прохождения вверх по потоку и время прохождения вниз по потоку.

[0025] Примеры реализации настоящего изобретения определяют среднее время задержки и время дельта-задержки каждой пары преобразователей (например преобразователей 112, 113). Время задержки пары преобразователей предпочтительно определено с использованием преобразователей, установленных в ультразвуковом расходомере, в котором они должны быть использованы. Процедуру определения времени задержки пары преобразователей обычно называют "сухой калибровкой".

[0026] Сухая калибровка ультразвукового расходомера 110 для измерения расхода газа включает уплотнение концов (например, установку заглушек) расходомера 110 таким образом, что в расходомере 110 может быть создано давление с использованием текучей среды известного состава, такой как чистый азот. Для выполнения калибровки преобразователи давления и температуры также установлены на расходомере 110 для обеспечения возможности определения давления и температуры текучей среды. После создания давления в расходомере 110 с использованием текучей среды, обеспечена возможность стабилизации системы для обеспечения отсутствия потока в расходомере 110 и расположения расходомера 110 и текучей среды в тепловом равновесии. После стабилизации время прохождения вверх по потоку и время прохождения вниз по потоку одновременно измерены с использованием температуры и давления газа. На основании известных температуры текучей среды, давления и состава, скорость звука через текучую среду может быть рассчитана из предварительно определенных теоретических или экспериментальных значений. Пример одного способа вычисления скоростей звука может быть найден в отчете американской газовой ассоциации (AGA) №10, "Скорость звука в природном газе и других родственных углеводородах".

[0027] Из измеренного времени прохождения $$T_{up}^m$$ и $$T_{dn}^m$$ время задержки вверх по потоку и вниз по потоку τ_up и τ_dn могут быть получены как

и

причем c_calc представляет собой рассчитанную скорость звука. Среднее время задержки и время дельта-задержки затем заданы следующим образом:

и

[0028] Погрешность может быть введена в среднее время задержки, определенное во время сухой калибровки многолучевого ультразвукового расходомера 110, вследствие наличия температурных градиентов в текучей среде. В многолучевом расходомере 110 существует множество хорд, которые могут быть расположены на различных уровнях в этом расходомере 110. Например, расходомер 110, как показано на фиг.1B, может иметь четыре различные хорды, каждая из которых расположена на различном уровне в этом расходомере 110. Во время сухой калибровки, при отсутствии потока в расходомере 110, температурный градиент может возникнуть в текучей среде, причем текучая среда в верхней части расходомера 110 горячее, чем текучая среда в нижней части этого расходомера 110. Величина температурного градиента между верхней частью и нижней частью расходомера 110 стремится к увеличению с увеличением размера расходомера и может превышать 0,5°F (0,3°C). Температурный градиент приведет к наличию у каждой хорды расходомера 110 различной температуры и, таким образом, скорости звука, отличной от скорости звука, рассчитанной для текучей среды с использованием температуры, измеренной на одном уровне в расходомере 110 во время сухой калибровки. Данная погрешность в рассчитанной скорости звука приведет к погрешности в среднем времеми задержки при использовании рассчитанной скорости звука по формуле 7. Погрешность Δτ_avg в среднем времени задержки получена как:

причем Δc_calc представляет собой погрешность в рассчитанной скорости звука. Сухая калибровка может быть выполнена с использованием азота при температуре, составляющей приблизительно 75°F (24°С), и давления, составляющего приблизительно 200 фунтов на квадратный дюйм. Для этих условий скорость звука составляет приблизительно 1160 футов/с, а изменение в скорости звука Δc_calc небольшого изменения в температуре ΔT составляет:

Подстановка формулы 10 в формулу 9 обеспечивает:

[0029] Погрешность, внесенная в среднее время задержки посредством температурного градиента во время сухой калибровки, внесет погрешности в скорости хордальных потоков и скорости звука (см. формулы 3 и 4). Погрешность Δν в скорости хордального потока вследствие погрешности в среднем времеми задержки получена как:

и погрешность Δс в хордальной скорости звука вследствие погрешности в среднем времени задержки получена как:

[0030] Кроме того, для создания погрешностей в скорости хордального потока и скорости звука, погрешности в среднем времени задержки также вызывают нежелательное отклонение в хордальных скоростях звука. При использовании ультразвукового расходомера 110 для измерения текучей среды в трубопроводе, вихревое движение, введенное потоком текучей среды, приводит к надлежащему смешиванию текучей среды и обеспечивает отсутствие тепловых градиентов в текучей среде. Погрешность, введенная в среднее времени задержки посредством теплового градиента, присутствующего во время сухой калибровки, приведет к видимому отклонению в хордальных скоростях звука, измеренных для протекающей текучей среды, которая не имеет каких-либо тепловых градиентов. Видимое отклонение в хордальных скоростях звука может быть найдено путем объединения формул 11 и 13 для получения

Например, если измеряемая текучая среда трубопровода представляет собой метан со скоростью звука, составляющей приблизительно 1400 футов/с, то отклонение в хордальных скоростях звука, измеренных в трубопроводе ввиду температурного градиента в 0,5°F во время сухой калибровки, составляет приблизительно 0,8 футов/с.

[0031] При использовании ультразвукового расходомера для измерения при передаче продукта в договор между покупателем и продавцом часто включают стандартный отчет Американской газовой ассоциации (AGA) №9, "Измерение газа многолучевыми ультразвуковыми расходомерами" в качестве части договора. Раздел 5.1 в отчете AGA №9 требует, чтобы все ультразвуковые расходомеры соответствовали требованию, согласно которому максимальное отклонение в хордальных скоростях звука составляет 1,5 футов/с. Температурный градиент в 0,5°F (0,3°C) во время сухой калибровки может привести к отклонению в хордальных скоростях звука, которое составляет более половины от отклонения в хордальных скоростях звука, предусмотренных отчетом AGA №9. Любые дополнительные погрешности, такие как незначительные изменения во временах задержек преобразователей 112, 113 вследствие температурных изменений, могут вызвать намного более простое превышение максимально допустимого отклонения.

[0032] Примеры реализации настоящего изобретения ограничивают температурные градиенты во время сухой калибровки ультразвукового расходомера 110 путем создания небольшой величины циркуляции в текучей среде в расходомере 110. Циркуляция может быть создана посредством устройства для циркуляции текучей среды или устройства перемешивания, такого как небольшой вентилятор, который расположен в корпусе 111 расходомера. Примеры реализации разделяют процедуру сухой калибровки на две части для обеспечения использования циркуляции текучей среды во время калибровки. В первой части время дельта-задержек определено без циркуляции. Во второй части среднее время задержки определено с использованием циркуляции текучей среды.

[0033] Циркуляция текучей среды в расходомере 110 с одновременным определением среднего времени задержки обеспечивает постоянную температуру текучей среды по всему расходомеру 110 и отсутствие температурных градиентов. Это улучшает точность определения среднего времеми задержки для каждой хорды и, таким образом, улучшает точность вычисленных скоростей хордальных потоков и скоростей звука, если расходомер 110 использован для измерения текучей среды, протекающей в трубопроводе. Улучшение точности измеренной скорости хордального потока в конечном итоге приводит к увеличению точности в измеряемом расходе, которая особенно важна при использовании расходомера 110 для измерения при передаче продукта. Улучшение точности измеренных хордальных скоростей звука приводит к уменьшению отклонения в измеренных хордальных скоростях звука, что дает оператору расходомера 110 больше уверенности в том, что расходомер 110 работает правильно.

[0034] На фиг.2 показан вид в вертикальном разрезе ультразвукового блока 200 расходомера, выполненного с возможностью сухой калибровки в соответствии с различными примерами реализации. Блок 200 расходомера содержит расходомер 110, заглушки 242, датчик температуры 246 и вентилятор 240. Заглушка 242 прикреплена к каждому концу корпуса 111 расходомера 110 с использованием крепежных устройств 244 (например, болтов и гаек, зажимов и т.д.). Датчик 246 температуры размещен в расходомере 110 через посадочное гнездо в корпусе 111 расходомера или одной из заглушек 242 для измерения температуры текучей среды. Датчик 246 температуры расположен таким образом, что не препятствует какой-либо траектории звуковой энергии, перемещающейся между ультразвуковыми преобразователями (например преобразователями 112 и 113 на фиг.1А). Трубопровод для текучей среды и датчик давления (не показан) прикреплены к посадочному гнезду 248 в корпусе 111 расходомера или одной из заглушек 242. Трубопровод для текучей среды обеспечивает возможность добавления и удаления текучей среды из корпуса 111 расходомера, а датчик давления использован для контроля давления текучей среды в расходомере 110.

[0035] Вентилятор 240 или другое устройство для циркуляции текучей среды размещен в корпусе 111 расходомера. В некоторых примерах реализации вентилятор 240 размещен в корпусе 111 расходомера путем крепления вентилятора 240 к заглушке 242 с использованием магнитов 241. Магниты 241 обеспечивают то, что вентилятор 240 сохраняет свое положение на месте с одновременным облегчением установки и удаления. Распорки (например, разделители) 243, расположенные между вентилятором 240 и магнитом 241, располагают вентилятор 240 на расстоянии от поверхности заглушки 242 и обеспечивают возможность протекания потока через вентилятор 240. Подача электричества через посадочное гнездо 245 в корпусе 111 расходомера или одной из заглушек 242 обеспечивает возможность подачи электроэнергии на вентилятор 240 посредством электропроводки 247.

[0036] Вентилятор 240 расположен в корпусе 111 расходомера в месте, которое обеспечивает свободное протекание потока через вентилятор 240 и одновременное отсутствие пересечения вентилятора 240 и соответствующих компонентов (электропроводки 247, разделителей 243 и т.д.) с любой из траекторий, пройденных звуковой энергией, перемещающейся между ультразвуковыми преобразователями. В некоторых примерах реализации вентилятор 240 прикреплен к заглушке 242 с использованием болтов или клеящих веществ. В других примерах реализации вентилятор 240 прикреплен к корпусу 111 расходомера посредством магнитов 241, клеящих веществ или просто удержан на месте посредством силы притяжения.

[0037] Различные типы вентиляторов, согласно которым вентилятор просто представляет собой устройство для создания циркуляции текучей среды, подходят для использования с примерами реализации, описанными в настоящей заявке. Вентилятор 240 может быть выполнен с возможностью функционирования с использованием постоянного тока (DC), а не переменного тока, для уменьшения риска электрического удара оператора, выполняющий сухую калибровку. Вентилятор 240 может представлять собой бесщеточный вентилятор постоянного тока (DC), имеющий тип, обычно используемый в компьютере и измерительных устройствах. Диаметр вентилятора 240 расположен предпочтительно между 10% и 35% от внутреннего диаметра корпуса 111 расходомера.

[0038] Небольшой поток текучей среды или отсутствие потока текучей среды должен быть представлен во время определения времени дельта-задержки. Таким образом, примеры реализации применяют процедуру сухой калибровки, которая по отдельности определяет среднее время задержки и время дельта-задержки. После установки вентилятора 240, датчика 246 температуры, трубопровода для текучей среды, датчика давления и заглушки 242, происходит добавление текучей среды в корпус 111 расходомера для использования в калибровке. Одна из подходящих калибровочных текучих сред представляет собой азот при давлении 200 фунтов на квадратный дюйм, однако также могут быть использованы другие калибровочные текучие среды и другие давления. Для ограничения примеси, переносимой воздухом, который сначала присутствует в корпусе 111 расходомера, калибровочная текучая среда может быть очищена и добавлена в корпус 111 расходомера несколько раз. В альтернативном варианте, воздух может быть удален из корпуса 111 расходомера с использованием вакуумного насоса перед добавлением калибровочной текучей среды в корпус 111 расходомера. После создания давления в расходомере 110 с использованием калибровочной текучей среды соединение с источником текучей среды закрыто и обеспечена возможность стабилизации текучей среды в корпусе 111 расходомера за период времени (например, по меньшей мере один час) для обеспечения ослабления всего остаточного потока, вызванного добавлением калибровочной текучей среды к расходомеру 110, и нахождения текучей среды в тепловом равновесии в расходомере 110. Преобразователи приведены в действие, время прохождения измерено для каждой хорды, время дельта-задержки определено с использованием формулы (8).

[0039] После определения времени задержки вентилятор 240 включен и обеспечена возможность стабилизации калибровочной текучей среды за некоторый период времени (например, по меньшей мере 10 минут). Снова измерены время перемещения звуковой энергии и температура и давление текучей среды. Скорость звука определена с использованием подходящих предварительно определенных значений, таких как значения, найденные в отчете AGA №10, "Скорость звука в природном газе и других родственных углеводородах", а среднее время задержки определено с использованием формулы 7. Скорость вентилятора 240 имеет такое значение, что абсолютное значение каждой скорости хордального потока расположено предпочтительно между 0,5 и 2 футов/с. Минимальная скорость необходима для обеспечения того, что калибровочная текучая среда хорошо смешана и не имеет тепловых градиентов. Если скорость текучей среды является слишком высокой, то к формуле 7 применимы подходящие модификации для расчета для высокой скорости потока.

[0040] В альтернативном примере реализации время дельта-задержки определены после определения среднего времени задержки. В таком примере реализации вентилятор 240 включен после заполнения расходомера с использованием калибровочной текучей среды и обеспечена возможность стабилизации текучей среды за некоторый период времени (например, по меньшей мере час) перед определением среднего времени задержки. Вентилятор 240 затем выключен и обеспечена возможность стабилизации калибровочной текучей среды за некоторый период времени (например, по меньшей мере час) перед определением допустимой погрешности времени задержки.

[0041] На фиг.3 показана структурная схема системы 300 для выполнения сухой калибровки ультразвукового расходомера в соответствии с различными примерами реализации. Система 300 содержит блок 200 расходомера и систему 302 управления калибровкой и обработки данных. Система 302 управления калибровкой и обработки данных управляет работой различных компонентов (например, преобразователей 112, 113) блока 200 расходомера и приводит к выполнению блоком 200 расходомера операций, которые создают калибровочные данные. Система 302 управления калибровкой и обработки данных обрабатывает калибровочные данные, созданные блоком 200 расходомера для получения значений хордальной задержки. В некоторых примерах реализации электронные средства 140 расходомера могут содержать по меньшей мере некоторые части системы 302 управления калибровкой и обработки данных.

[0042] Некоторые примеры реализации системы 302 управления калибровкой и обработки данных создают сигналы, которые управляют по меньшей мере одним из ультразвуковых преобразователей (например, преобразователей 112, 113) и вентилятора 240 блока 200 расходомера. Например, сигналы, созданные посредством системы 302 управления калибровкой и обработки данных, могут управлять временеи создания звукового сигнала преобразователя 112 и могут управлять включением/выключением вентилятора 240. Кроме того, система 302 управления калибровкой и обработки данных может создавать сигналы для управления системой 308 управления текучей средой (например, клапаном или т.п.), которая вводит текучую среду в расходомер 110 из источника текучей среды. В альтернативном варианте, система 302 калибровки и обработки данных может запрашивать у пользователя ручной ввод текучей среды в расходомер 110 из источника текучей среды.

[0043] Система 302 управления калибровкой и обработки данных может также принимать сигналы, созданные блоком 200 расходомера во время калибровки. Например, информация, характеризующая давление и температуру текучей среды, может быть получена от датчика 310 давления и датчика 246 температуры, а информация, характеризующая время прохождения звукового сигнала в расходомере 110, может быть получена от ультразвуковых преобразователей 112. Полученная информация может быть обработана вычислительным логическим устройством 304 для вычисления времени дельта-задержки и вычислительным логическим устройством 306 для вычисления средней задержки для получения соответственно дельта-задержек и средних задержек согласно описанию настоящей заявки.

[0044] Некоторые примеры реализации системы 302 управления калибровкой и обработки данных могут включать компьютер для выполнения управляющих функций и функций по обработке данных. Компьютер, подходящий для использования в системе 302 управления калибровкой и обработки данных, может представлять собой настольный компьютер, ноутбук, карманный компьютер, планшетный компьютер или любое другое вычислительное устройство, выполненное с возможностью выполнения управляющих функций и функций по обработке данных, описанных в настоящей заявке. Логическое устройство 304 для вычисления времени дельта-задержки и вычислительное логическое устройство 306 для вычисления средней задержки могут быть реализованы в качестве инструкций программного обеспечения, хранимых в машиночитаемом носителе данных. Выполнение компьютером инструкций приводит к выполнению этим компьютером расчетов дельта-задержки и средней задержки, описанных в настоящей заявке. Другое программное обеспечение, включенное в систему 302 управления калибровкой и обработки данных, может приводить к выполнению компьютером различных управляющих функций и/или функций по обработке данных, описанных в настоящей заявке. Машиночитаемый носитель данных, подходящий для хранения инструкций программного обеспечения, содержит энергозависимое запоминающее устройство, такое как оперативное запоминающее устройство, энергонезависимое запоминающее устройство (например, жесткий диск, оптическое запоминающее устройство (например, CD или DVD), флеш-память или их сочетания.

[0045] На фиг.4 показана блок-схема для способа сухой калибровки ультразвукового расходомера в соответствии с различными примерами реализации. Несмотря на последовательное представление в целях удобства, по меньшей мере некоторые из показанных действий могут быть выполнены в различном порядке и/или выполнены параллельно. Кроме того, некоторые примеры реализации могут выполнять только некоторые из показанных действий. В некоторых примерах реализации по меньшей мере некоторые из операций по фиг.4, а также другие операции, описанные в настоящей заявке, могут быть реализованы в качестве инструкций, сохраненных на машиночитаемом носителе и, выполнены посредством процессора (например, процессора компьютера в системе 302 управления калибровкой и обработки данных).

[0046] В блоке 402, устройство для циркуляции текучей среды, такое как вентилятор 240, размещено во внутренней части расходомера 110 для облегчения сухой калибровки. Устройство для циркуляции текучей среды расположен для предотвращения взаимодействия с акустическими сигналами, проходящими поперек внутренней части расходомера 110, и для обеспечения возможности протекания потока через устройство для циркуляции текучей среды. В частности, устройство для циркуляции текучей среды размещено в положении, расположенном с внешней стороны каждой хордальной траектории. Датчик температуры также расположен во внутренней части корпуса 111 расходомера.

[0047] В блоке 404, концы корпуса 111 расходомера выполнены уплотненными. В некоторых примерах реализации заглушки 242 прикреплены к концам корпуса 111 расходомера для выполнения уплотнения.

[0048] В блоке 406, калибровочная текучая среда введена в корпус 111 расходомера. Калибровочная текучая среда может представлять собой газ, такой как азот, и может быть подана в корпус 111 расходомера при предварительно определенном давлении (например, 200 фунтов на квадратный дюйм). Кроме того, примеси, присутствующие сначала в корпусе расходомера, могут быть устранены путем очистки и заполнения корпуса расходомера калибровочной текучей средой несколько раз.

[0049] В блоке 408, обеспечена возможность уменьшения циркуляции, созданной введением калибровочной текучей среды в корпус 111 расходомера. В некоторых примерах реализации считается, что циркуляция уменьшена до достаточного уровня по истечении предварительно определенного интервала времени (например, один час).

[0050] В блоке 410, калибровочная и управляющая система 302 приводит в действие ультразвуковые преобразователи (например, преобразователи 112, 113) расходомера 110 и для каждой хорды измеряет время перемещения звука вверх по потоку и вниз по потоку через расходомер 110.

[0051] В блоке 412, калибровочная и управляющая система 302 вычисляет время задержки вверх по потоку и вниз по потоку и значение времени дельта-задержки для каждой хорды на основании измеренного времени перемещения.

[0052] В блоке 414, циркуляция текучей среды создана в корпусе 111 расходомера путем приведения в действие устройства 240 для циркуляции текучей среды. Путем циркуляции калибровочной текучей среды происходит достижение в корпусе 111 расходомера равномерной температуры. Циркуляция текучей среды продолжается в блоке 416 для обеспечения возможности стабилизации калибровочной текучей среды. В некоторых примерах реализации калибровочная текучая среда считают стабилизированной при действии циркуляции в течение предварительно заданного периода времени (например, 10 минут).

[0053] В блоке 418, после стабилизации циркуляции текучей среды, калибровочная и управляющая система 302 приводит в действие ультразвуковые преобразователи (например, преобразователи 112, 113) расходомера 110 и для каждой хорды измеряет время перемещения звука вверх по потоку и вниз по потоку через расходомер 110. Также в расходомере 110 измерены температура и давление текучей среды.

[0054] В блоке 420, калибровочная и управляющая система 302 вычисляет скорость звука через калибровочную текучую среду в расходомере 110 на основании измеренных температуры и давления и вычисляет среднее время задержки на основании измеренного времения перемещения звука и рассчитанной скорости звука.

[0055] Приведенное выше описание предназначено для иллюстрации принципов и различных примеров реализации настоящего изобретения. Различные изменения и модификации станут очевидны специалисту в области техники после полного ознакомления с приведенным выше описанием. Предполагается, что приведенная далее формула изобретения должна быть интерпретирована для охвата всех таких изменений и модификаций.

Использование: для определения времени задержки ультразвуковых расходомеров. Изобретение ваключает систему и способ калибровки ультразвукового расходомера. В одном примере реализации способ включает размещение устройства для циркуляции текучей среды в расходомере. Текучая среда циркулирует в расходомере путем приведения в действие устройства для циркуляции текучей среды. Время прохождения акустического сигнала в расходомере измеряют во время циркуляции. На основании результатов измерения определяют часть времени прохождения акустического сигнала, вызванную задержкой, созданной компонентами расходомера. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерений ультразвуковых расходомеров. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ калибровки ультразвукового расходомера, включающий:
размещение устройства для циркуляции текучей среды в расходомере;
циркуляцию текучей среды в расходомере путем приведения в действие устройства для циркуляции текучей среды;
измерение времени прохождения акустического сигнала в расходомере во время циркуляции и
определение, на основании этого измерения, части времени прохождения акустического сигнала, вызванной задержкой, созданной компонентами расходомера.

2. Способ по п.1, согласно которому циркуляцию выполняют за период времени, определенный для создания однородной температуры текучей среды в расходомере.

3. Способ по п.1, дополнительно включающий измерение температуры и давления в расходомере в сочетании с измерением времени прохождения акустического сигнала.

4. Способ по п.1, согласно которому циркуляция обеспечивает скорость текучей среды в расходомере, составляющую от 0,5 до 2 фут в секунду (от 0,15 м/с до 0,61 м/с).

5. Способ по п.1, согласно которому задержка представляет собой среднюю величину от времени прохождения акустического сигнала вверх по потоку и времени прохождения акустического сигнала вниз по потоку, которая меньше времени прохождения звука между преобразователями.

6. Способ по п.1, дополнительно включающий:
введение текучей среды в расходомер;
выключение прокачивающего устройства для прокачивания текучей среды;
измерение времени прохождения акустического сигнала в расходомере при выключенном устройстве для циркуляции текучей среды; и
определение, на основании этого измерения, разницы между временем прохождения акустического сигнала вверх по потоку и вниз по потоку.

7. Способ по п.1, дополнительно включающий прикрепление устройства для циркуляции текучей среды к заглушке, которая закрывает конец расходомера.

8. Система для калибровки ультразвукового расходомера, содержащая:
расходомер, имеющий уплотненную камеру;
перемешивающее устройство, расположенное в уплотненной камере и выполненное с возможностью перемещения текучей среды в расходомере; и
калибровочное логическое устройство, выполненное с возможностью определения части измеренного времени прохождения акустического сигнала, вызванной задержкой, созданной компонентами расходомера;
причем указанная часть измеренного времени прохождения акустического сигнала определена на основе перемещения перемешивающим устройством текучей среды в расходомере и обеспечения им, таким образом, равномерной температуры текучей среды в расходомере.

9. Система по п.8, в которой расходомер дополнительно содержит уплотнительный элемент на каждом конце уплотненной камеры, а перемешивающее устройство скреплено с одним из уплотнительных элементов.

10. Система по п.8, в которой перемешивающее устройство установлено на проставках, которые располагают перемешивающее устройство для обеспечения возможности протекания через него потока текучей среды.

11. Система по п.8, дополнительно содержащая датчик температуры и датчик давления, выполненные с возможностью измерения соответственно температуры и давления текучей среды в расходомере; причем калибровочное логическое устройство выполнено с возможностью измерения температуры и давления текучей среды в сочетании с измерением времени прохождения акустического сигнала.

12. Система по п.8, в которой калибровочное логическое устройство определяет задержку как среднюю величину от времени прохождения акустического сигнала вверх по потоку и времени прохождения акустического сигнала вниз по потоку, которая меньше времени прохождения акустического сигнала между преобразователями.

13. Система по п.8, в которой перемешивающее устройство выполнено с возможностью перемещения текучей среды в расходомере со скоростью между 0,5 и 2 фут в секунду (0,15 м/с и 0,61 м/с).

14. Система по п.8, в которой перемешивающее устройство имеет диаметр, составляющий 10-35% от внутреннего диаметра расходомера.

15. Система по п.8, в которой калибровочное логическое устройство выполнено с возможностью:
измерения времени прохождения акустического сигнала вверх по потоку и времени прохождения акустического сигнала вниз по потоку в расходомере при выключенном перемешивающем устройстве и
определения разницы между временем перемещения акустического сигнала вверх по потоку и временем перемещения акустического сигнала вниз по потоку.

16. Система по п.8, в которой перемешивающее устройство размещено в расходомере с внешней стороны траектории акустического сигнала между преобразователями расходомера.

17. Устройство для обеспечения однородной температуры текучей среды в ультразвуковом расходомере, содержащее:
корпус расходомера;
заглушку, выполненную с возможностью уплотнения конца корпуса расходомера; и
электрический вентилятор, расположенный в корпусе расходомера для обеспечения циркуляции текучей среды в этом расходомере и размещенный в месте, расположенном снаружи траектории сигнала между ультразвуковыми преобразователями расходомера.

18. Устройство по п.17, дополнительно содержащее разделители, которые отделяют вентилятор от поверхности, поддерживающей вентилятор в корпусе расходомера, причем разделители выполнены с обеспечением возможности протекания потока текучей среды через вентилятор.

19. Устройство по п.17, дополнительно содержащее магнит, выполненный с возможностью прикрепления вентилятора к поверхности на внутренней части расходомера.

20. Устройство по п.17, в котором вентилятор прикреплен к заглушке.

21. Устройство по п.17, в котором заглушка содержит посадочное гнездо, через которое проводники выдают электрическую энергию на вентилятор.

22. Устройство по п.17, в котором диаметр вентилятора составляет 10-35% от внутреннего диаметра расходомера.

23. Устройство по п.17, в котором вентилятор выполнен с возможностью циркуляции текучей среды в расходомере со скоростью между 0,5 и 2 фут в секунду (0,15 м/с и 0,61 м/с).