Область техники, к которой относится изобретение.
Настоящее изобретение относится к вибрационному расходомеру и способу измерения расхода и, в частности, касается вибрационного расходомера и способа определения среднего расхода.
Уровень техники.
Вибрационные трубчатые датчики, такие как кориолисовые массовые расходомеры и вибрационные денситометры, как правило, действуют на основе обнаружения движения вибрирующей трубки, которая содержит текучий материал. Характеристики, связанные с материалом в трубке, такие как массовый поток, плотность и т.п., можно определить путем обработки сигналов измерений, полученных от измерительных преобразователей движения, связанных с упомянутой трубкой. Вибрационные режимы системы, заполненной вибрирующим материалом, обычно определяются сочетанием таких характеристик трубки и материала в ней, как масса, жесткость и демпфирование.
Типовой кориолисовый массовый расходомер включает в себя одну или несколько трубок, соединенных последовательно с трубопроводом или другой системой транспортировки, и перемещающийся в системе материал, например, жидкость, суспензия, эмульсия и т.п. Можно считать, что каждая трубка имеет несколько естественных вибрационных режимов, в том числе, например, режим простых изгибных колебаний, режим торсионных колебаний, режим радиальных колебаний и режим связанных колебаний. При типовом применении кориолисовых измерителей массового расхода в трубке возбуждается один или несколько вибрационных режимов, когда материал протекает через трубку, а перемещение трубки измеряется в точках, разнесенных вдоль трубки. Как правило, возбуждение обеспечивается актюатором, например, электромеханическим устройством, таким как возбудитель, на основе линейной обмотки, который вызывает периодические колебания трубки. Массовый расход можно определить путем измерения временной задержки или разности фаз между движениями в местах расположения измерительных преобразователей. Для измерения вибрационного отклика проточной трубки или трубок, как правило, используются два указанных измерительных преобразователя (или датчика), причем их, как правило, размещают перед и после актюатора. Эти два датчика подсоединены к измерительной электронике. Измерительная электроника получает сигналы от этих двух датчиков и обрабатывает их, получая среди прочего, результаты измерения массового расхода. Таким образом, в вибрационных расходомерах, включая массовые расходомеры и кориолисовые денситометры, используют одну или несколько проточных трубок, в которых возбуждается вибрация для измерения расхода.
Часто требуется измерять расход текущей жидкой среды. Когда поток жидкой среды стационарен, измерение расхода не представляет особых проблем. Но, когда поток пульсирует, например, как напорный поток, то тогда результаты измерений расхода могут отражать периодическую природу пульсирующего потока, причем результаты измерений расхода будут изменяться по амплитуде синхронно с потоком.
Насосы многих типов выдают поток, отличающийся существенной периодичностью, причем поток пульсирует в соответствии с периодичностью (или реальной скоростью) насоса. Например, насос с коротким ходом фирмы Texstream серии 5000 для впрыска химических реагентов имеет частоту хода поршня, как минимум, пять ходов в минуту при относительном времени включенного состояния, равном десяти процентам.
Часто требуется, чтобы результаты измерений расхода пульсирующего потока вместо мгновенных значений расхода содержали средние значения расхода. Также часто требуется, чтобы результат измерения расхода содержал, по существу, постоянное и репрезентативное значение расхода. Часто требуется, чтобы результаты измерения расхода не изменялись периодическим образом. Пользователь расходомера, возможно, не захочет или не сможет использовать мгновенные значения измерения расхода.
Одним из факторов, усложняющих измерения среднего расхода в случае пульсирующего потока, является наличие обратного периодического потока в пульсирующем потоке. Другим фактором, усложняющим измерение среднего расхода, является то, что пользователям необходимо измерять средний расход потока с высокой частотой изменений, без значительной задержки по отношению к реальному потоку. Кроме того, измерение среднего расхода может быть затруднено, когда период пульсаций изменяется во времени.
Одним из известных технических решений, касающихся измерения расхода пульсирующего потока, является использование демпфирования потока. Демпфирование потока содержит программную фильтрацию (как правило, с использованием фильтра с бесконечной импульсной характеристикой (IIR) или конечной импульсной характеристикой (FIR) с фиксированным количеством коэффициентов фильтрации). Фильтрация сглаживает мгновенные выходные значения расхода, но она не адаптивна к периодам пульсирующего потока. Демпфирование потока способствует уменьшению пиков периодического потока, причем периодичность несколько уменьшается в результате уплощения и расширения пиков потока. Демпфирование потока может привести к исключению или сокращению случаев возникновения отрицательного или обратного расхода.
Однако вышеописанное демпфирование имеет ряд недостатков. Один недостаток состоит в том, что демпфирование может стать причиной того, что значение среднего расхода будет значительно колебаться. Причиной изменения среднего расхода может быть не адаптивность демпфирования потока к изменениям периодов пульсирующего потока. Другой недостаток состоит в том, что, хотя демпфирование может уменьшить изменение среднего расхода, оно вносит задержку в измерение среднего расхода на величину, значительно превышающую один период, по сравнению с задержкой, которую можно обеспечить, используя обсуждаемый здесь вибрационный расходомер и используемый им способ измерения.
Сущность изобретения.
Согласно одному аспекту изобретения вибрационный расходомер для определения среднего расхода пульсирующего потока содержит:
сборку расходомера, включающую в себя по меньшей мере два датчика и сконфигурированный для создания по меньшей мере двух вибрационных сигналов; и
измерительный электронной блок, сконфигурированный для приема указанных по меньшей мере двух вибрационных сигналов и создания сигнала измерения расхода, разделения сигнала измерения расхода на ряд временных периодов, где каждый временной период включает в себя один пик потока, расположенный, по существу, по центру временного периода, суммирование измерений расхода для каждого временного периода для создания суммы за период, и деления суммы за период на длину временного периода для создания среднего расхода за период, где измерительная электроника выводит последовательность средних расходов за период в качестве сигнала среднего расхода.
Предпочтительно, чтобы сигнал среднего расхода содержал сигнал среднего массового расхода.
Предпочтительно, чтобы сигнал среднего расхода содержал сигнал среднего объемного расхода.
Предпочтительно, чтобы длина временного периода была фактически фиксированной.
Предпочтительно, чтобы длина временного периода была адаптивной.
Предпочтительно, чтобы измерительная электроника была сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода.
Предпочтительно, чтобы измерительная электроника была сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем выполнения дискретного преобразования Фурье (DFT) на сигнале измерения расхода.
Предпочтительно, чтобы измерительная электроника была сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем сканирования пиков в сигнале измерения расхода.
Предпочтительно, чтобы измерительная электроника была сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем сканирования пиков в сигнале измерения расхода, причем это сканирование содержит сравнение измерительной электроникой артефактов в сигнале измерения расхода с одним или несколькими заранее определенными пороговыми значениями: заранее определенным пороговым значением пиковой амплитуды, заранее определенным пороговым значением ширины пика и/или заранее определенным пороговым значением минимального интервала между пиками.
Предпочтительно, чтобы измерительная электроника была сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем выполнения анализа по методу окон на сигнале измерения потока.
Согласно одному аспекту изобретения способ определения среднего расхода пульсирующего потока содержит:
прием двух или более вибрационных сигналов отклика от двух или более датчиков вибрационного расходомера и создание сигнала измерения расхода;
разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов, где каждый временной период включает в себя один пик потока, расположенный фактически по центру временного периода;
суммирование измерений расхода для каждого временного периода для создания суммы за период, и
деление суммы за период на длину временного периода для создания среднего расхода за период, где в качестве сигнала среднего расхода выводится последовательность средних расходов за период.
Предпочтительно, чтобы сигнал среднего расхода содержал сигнал среднего массового расхода.
Предпочтительно, чтобы сигнал среднего расхода содержал сигнал среднего объемного расхода.
Предпочтительно, чтобы длина временного периода была фактически фиксированной.
Предпочтительно, чтобы длина временного периода была адаптивной.
Предпочтительно, чтобы разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов содержало определение периодичности в сигнале измерения расхода.
Предпочтительно, чтобы разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов содержало определение периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем выполнения дискретного преобразования Фурье (DFT) на сигнале измерения расхода.
Предпочтительно, чтобы разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов содержало определение периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем сканирования пиков в сигнале измерения расхода.
Предпочтительно, чтобы разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов содержало определение периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем сканирования пиков в сигнале измерения расхода, где указанное сканирование содержит сравнение артефактов в сигнале измерения расхода с одним или несколькими заранее определенными пороговыми значениями: заранее определенным пороговым значением пиковой амплитуды, заранее определенным пороговым значением ширины пика и/или заранее определенным пороговым значением минимального интервала между пиками.
Предпочтительно, чтобы разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов содержало определение периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем выполнения анализа по методу окон в сигнале измерения расхода.
Описание чертежей.
Одинаковые ссылочные позиции представляют одинаковые элементы на всех чертежах. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
Фиг. 1 - вибрационный расходомер согласно изобретению;
фиг. 2 - измерительная электроника вибрационного расходомера согласно варианту изобретения;
фиг. 3А-3С - представление шагов обработки для пульсирующего потока согласно варианту изобретения;
фиг. 4А-4Е - примеры различных пульсирующих потоков;
фиг. 5 - блок-схема способа определения среднего расхода пульсирующего потока согласно варианту изобретения.
Подробное описание изобретения.
На фиг. 1-5 и в последующем описании представлены конкретные примеры, помогающие специалистам в данной области техники выполнить и использовать изобретение в наилучшем варианте его воплощения. С целью изложения базовых принципов изобретения некоторые известные аспекты даны в упрощенном изложении или опущены. Специалистам в данной области техники очевидны возможные варианты указанных примеров, которые не выходят за рамки объема изобретения. Специалистам в данной области техники понятно, что описанные ниже признаки могут быть скомбинированы различным образом для формирования множества вариантов изобретения. Таким образом, изобретение не ограничивается описанными ниже конкретными примерами, а ограничивается только формулой изобретения и ее эквивалентами.
На фиг. 1 показан вибрационный расходомер 5 согласно варианту изобретения. Вибрационный расходомер 5 содержит сборку 10 расходомера и измерительную электронику 20. Измерительная электроника 20 подсоединена к сборке 10 расходомера через выводы 100 и сконфигурирована для обеспечения измерений одного или нескольких из следующих параметров: плотность, массовый расход, объемный расход, полный массовый расход, температура, или для обеспечения других измерений, или предоставления информации по тракту 26 связи. Вибрационный расходомер 5 может содержать в некоторых вариантах кориолисовый расходомер 5. Специалистам в данной области техники очевидно, что вибрационный расходомер может содержать любой вариант вибрационного расходомера, независимо от количества возбудителей, датчиков, проточных трубок или рабочего режима вибрации. Вдобавок, следует понимать, что вибрационный расходомер 5 в качестве альтернативы может содержать вибрационный денситометр.
Сборка 10 расходомера включает в себя пару фланцев 101 и 101′, патрубки 102 и 102′, возбудитель 104, датчики 105 и 105′ и проточные трубки 103А и 103В. Возбудитель 104 и датчики 105 и 105' соединены с проточными трубками 103А и 103В.
Фланцы 101 и 101′ закреплены на патрубках 102 и 102′. Патрубки 102 и 102′ в некоторых вариантах могут быть закреплены на противоположных концах проставки 106. Проставка 106 поддерживает интервал между патрубками 102 и 102′, чтобы предотвратить передачу усилий со стороны трубопровода на проточные трубки 103А и 103В. При врезке сборки 10 расходомера в трубопровод (не показан), в котором протекает измеряемая текучая среда, текучая среда будет поступать в сборку 10 расходомера через фланец 101, проходить через впускной патрубок 102, где весь поток текучей среды направляется в проточные трубки 103А и 103В, протекать через проточные трубки 103А и 103В и поступать обратно в выпускной патрубок 102′, через который он выходит из сборки 10 расходомера через фланец 101′.
Текучая среда может содержать жидкость. Текучая среда может содержать газ. Текучая среда может содержать многофазную текучую среду, такую как жидкость, содержащую вовлеченные газы и/или вовлеченные твердые частицы.
Проточные трубки 103А и 103В выбирают и соответствующим образом монтируют на впускном патрубке 101 и выпускном патрубке 102′ с тем, чтобы получить фактически одинаковое распределение массы, моментов инерции и модулей упругости относительно осей изгиба W--W и W′--W′соответственно. Проточные трубки 103А и 103В выступают наружу от патрубков 102 и 102′, по существу, параллельно друг другу. Проточные трубки 103А и 103В возбуждаются возбудителем 104 в противоположных направлениях по отношению к соответствующим осям W и W′ изгиба, что называется здесь первым несинфазным изгибным режимом вибрационного расходомера 5. Возбудитель 104 может иметь одну из множества известных конструкций, таких как магнит, смонтированный на проточной трубке 103А, и противолежащая катушка, смонтированная на проточной трубке 103В. Через упомянутую катушку протекает переменный ток, вызывающий колебания обеих трубок. На возбудитель 104 через вывод 110 измерительной электроники 20 подается соответствующий сигнал возбуждения. Допускается применение других устройств возбуждения в рамках объема настоящего описания и формулы изобретения.
Измерительная электроника 20 принимает сигналы датчиков через выводы 111 и 111′ соответственно. Измерительная электроника 20 создает сигнал возбуждения на выводе 110, который заставляет возбудитель 104 осуществлять колебание проточных трубок 103А и 1-3В. Допускается применение других измерительных преобразователей в рамках объема настоящего описания и формулы изобретения.
Измерительная электроника 20 обрабатывает сигналы скорости слева и справа, поступающие от датчиков 105 и 105′, вычисляя среди прочего расход. Тракт 26 связи обеспечивает средство ввода и вывода, позволяющее измерительной электронике 20 взаимодействовать с оператором или другими электронными системами. Описание фиг. 1 приведено лишь в качестве примера функционирования вибрационного расходомера, такого как кориолисовый расходомер, и не подразумевает ограничение основополагающих принципов настоящего изобретения.
В одном варианте измерительная электроника 20 сконфигурирована для создания вибраций проточных трубок 103А и 103В. Вибрация создается возбудителем 104. Измерительная электроника 20 принимает результирующие вибрационные сигналы от датчиков 105 и 105′. Вибрационные сигналы содержат вибрационный отклик проточных трубок 103А и 103В. Измерительная электроника 20 обрабатывает вибрационный отклик и определяет частоту и/или разность фаз отклика. Измерительная электроника 20 обрабатывает вибрационный отклик и определяет один или несколько параметров потока, в том числе массовый расход и/или плотность текучей среды. Допускается применение других характеристик вибрационного отклика и/или измеряемых параметров потока в рамках объема настоящего описания и формулы изобретения.
В одном варианте проточные трубы 103 А и 103В содержат проточные трубы, по существу, U-образной формы, как показано на фиг. 1. В других вариантах в качестве альтернативы проточные трубы могут иметь Y-образную форму или представлять собой прямые проточные трубы. Допускается применение дополнительных форм и/или конфигураций расходомера в рамках объема настоящего описания и формулы изобретения.
На фиг. 2 показана измерительная электроника 20 вибрационного расходомера 5 согласно варианту изобретения. Измерительная электроника 20 может включать в себя интерфейс 201 и обрабатывающую систему 203. Измерительная электроника 20 принимает первый и второй сигналы датчиков из сборки 10 измерителя, такие как сигналы (тензо) датчиков/датчиков скорости. Измерительная электроника 20 обрабатывает первый и второй сигналы датчиков для получения характеристик материала, протекающего через сборку 10 измерителя. Например, измерительная электроника 20 может определить, например, одно или несколько значений разности фаз, частоты, разницы во времени (Δ), плотности, массового расхода и/или объемного расхода из сигналов датчиков. Измерительная электроника 20 может создать сигнал 223 измерения расхода. Измерительная электроника 20 может создать сигнал 238 фактически усредненного расхода. Вдобавок, согласно изобретению могут быть определены другие характеристики потока.
Интерфейс 201 принимает сигналы датчиков от одного из измерительных преобразователей 105 и 105' скорости через выводы 100 по фиг. 1. Интерфейс 201 может выполнить любую необходимую или желаемую нормализацию сигнала, например, форматирование, усиление, буферизацию любого вида и т.д. В качестве альтернативы, некоторые либо все варианты нормализации сигнала могут выполняться в обрабатывающей системе 203.
Вдобавок, интерфейс 201 предоставляет возможность связи между измерительной электроникой 20 и внешними устройствами. Интерфейс 201 может обеспечить функцию связи любого вида: электронную, оптическую или беспроводную.
В одном варианте изобретения интерфейс 201 может включать в себя блок оцифровки (не показан), когда сигнал датчика содержит аналоговый сигнал датчика. Блок оцифровки дискретизирует и оцифровывает аналоговый сигнал датчика и создает цифровой сигнал датчика. Интерфейс/блок оцифровки может также выполнить любое необходимо прореживание, где цифровой сигнал датчика прореживается для сокращения необходимого объема обработки сигнала и сокращения времени обработки.
Обрабатывающая система 203 управляет операциями, выполняемыми измерительной электроникой 20, и обрабатывает измерения потока, поступающие из сборки 10 расходомера. Обрабатывающая система 203 выполняет одну или несколько стандартных программ обработки, обрабатывая тем самым измерения потока для создания одной или нескольких характеристик потока.
Обрабатывающая система 203 может содержать компьютер общего назначения, микропроцессор, логическую схему или другое обрабатывающее устройство общего назначения или специализированное обрабатывающее устройство. Обрабатывающая система 203 может быть распределена по множеству обрабатывающих устройств. Обрабатывающая система 203 может включать в себя в интегральном исполнении или автономную электронную запоминающую среду, такую как система 204 памяти.
В показанном варианте обрабатывающая система 203 принимает сигналы датчиков от сборки 10 расходомера, запоминает сигналы датчиков по меньшей мере временно в виде двух или более вибрационных откликов 220 и создает результаты измерений потока из двух или более вибрационных откликов 220. Обрабатывающая система 203 может создать сигнал 223 измерения расхода из двух или более вибрационных откликов 220. Сигнал 223 измерения расхода может содержать мгновенный массовый расход или мгновенный объемный расход. Обрабатывающая система 203 может создать сигнал 238 среднего расхода из сигнала 223 измерения расхода. Сигнал 238 среднего расхода может содержать средний массовый расход или средний объемный расход. Обрабатывающая система 203 может запоминать, отображать, регистрировать и/или передавать сигнал 223 измерения расхода и сигнал 238 среднего расхода.
В системе 204 памяти могут храниться стандартные программы, которые выполняются обрабатывающей системой 203. В некоторых вариантах в управляющей системе 204 хранится стандартная программа 214 расхода для создания сигнала 223 измерения расхода. В некоторых вариантах в системе 204 памяти хранится стандартная программа 219 периодичности для определения пиков потока, местоположения пиков потока и временных интервалов (то есть, периодов) между пиками. В некоторых вариантах в системе 204 памяти хранится стандартная программа 216 усреднения, которая создает сигнал 238 среднего расхода из сигнала 223 измерения расхода.
В одном варианте в системе 204 памяти могут храниться переменные, используемые для функционирования вибрационного расходомера 5, и могут храниться значения, созданные измерительной электроникой 20. В системе 204 памяти могут храниться характеристики потока, созданные из результатов измерений потока.
В системе 204 памяти могут храниться два или более вибрационных отклика 220, принятые от измерительных преобразователей 105 и 105' скорости. Два или более вибрационных откликов 220 могут содержать две или более последовательностей изменяющихся во времени цифровых значений измерений.
В системе 204 памяти может храниться длина 227 временного периода. Длина 227 временного периода может содержать интервал времени между последовательными пиками (или между последовательными положительными или отрицательными пиками), например, временной интервал между текущим пиком расхода и предыдущим пиком расхода. Следует понимать, что для длины 227 временного периода может храниться более одного значения длины и может храниться множество значений длины. Кроме того, следует понимать, что значения длины временного периода могут изменяться вместе с изменениями потока.
В системе 204 памяти может храниться сумма 231 за период. Сумма 231 за период может содержать сумму амплитудных значений расхода за конкретный временной период. Следует понимать, что для суммы 231 за период может храниться более одного значения суммы, соответствующих более одному временному периоду.
В системе 204 памяти может храниться среднее значение 235 за период. Среднее значение 235 за период содержит вычисленное значение среднего расхода за конкретный временной период. Следует понимать, что для среднего значения 235 за период может храниться более одного среднего значения, соответствующих более чем одному временному периоду.
В системе 204 памяти может храниться сигнал 238 среднего расхода. Сигнал 238 среднего расхода может содержать ряд или последовательность средних значений за период. Ряд средних значений за период создается для ряда последовательных временных периодов или окон. Ряд средних значений за период становится сигналом 238 среднего расхода путем последовательного во времени добавления сигналов среднего расхода.
В системе 204 памяти может храниться заранее определенное пороговое значение 226 пиковой амплитуды. Пороговое значение 226 пиковой амплитуды может содержать минимальную амплитуду расхода, необходимую для оценки артефакта расхода в качестве пика потока.
В системе 204 памяти может храниться заранее определенное значение 228 ширины пика. Пороговое значение 228 ширины пика может содержать минимальную ширину пика, которая необходима для оценки артефакта в качестве пика потока. Вдобавок, или в качестве альтернативы, пороговое значение 228 ширины пика может содержать максимальную ширину пика, которая необходима для оценки артефакта расхода в качестве пика потока. В другом альтернативном варианте пороговое значение 228 ширины пика может содержать область значений ширины пика, которой должен удовлетворять артефакт расхода для его оценки в качестве пика расхода.
В системе 204 памяти может храниться заранее определенный минимальный интервал 233 между пиками. Заранее определенный минимальный интервал 233 между пиками содержит временной интервал между следующими друг за другом или соседними пиками потока. В некоторых вариантах текущий пик потока должен отстоять от предыдущего пика на заранее определенный минимальный интервал 233 между пиками, для оценки пика потока в целях усреднения. Это может предотвратить оценку множества пиков как следующих пиков потока, например, множество пиков, показанных в центре графика на фиг. 4С.
Измерительная электроника 20 при выполнении стандартной программы 214 расхода сконфигурирована для создания сигнала среднего расхода. Измерительная электроника 20 при выполнении стандартной программы 214 расхода может кроме того выполнять стандартную программу 219 периодичности и/или стандартную программу 216 усреднения. Измерительная электроника 20 при выполнении стандартной программы 214 расхода сконфигурирована для: приема по меньшей мере двух вибрационных сигналов и создания сигнала измерения расхода; деления сигнала измерения расхода на ряд временных периодов, где каждый временной период включает в себя один пик потока, который фактически находится в центре временного периода; суммирования измерений расхода для каждого временного периода для создания суммы за период; и деление суммы за период на длину временного периода для создания среднего расхода за период. Наконец, измерительная электроника 20 выдает последовательность средних расходов в качестве сигнала среднего расхода. В некоторых вариантах сигнал среднего расхода содержит сигнал среднего массового расхода. В качестве альтернативы сигнал среднего расхода может содержать сигнал среднего объемного расхода.
В некоторых вариантах длина временного периода может быть фиксированной или фактически постоянной. В качестве альтернативы, длина временного периода может быть адаптивной и изменяться при изменениях в измеряемом потоке.
В некоторых вариантах измерительная электроника 20 может быть сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода. Периодичность может быть определена посредством выполнения дискретного преобразования Фурье (DFT) для сигнала измерения расхода. DFT преобразование можно использовать для создания спектра в частотной области, и тогда периодичность пиков потока можно определить, исходя из такого спектра.
В одном варианте периодичность можно определить путем сканирования пиков в сигнале измерения расхода. Такое сканирование может включать себя сравнение амплитуд сигнала, значений ширины пиков и интервалов между пиками с заранее определенными значениями или областями значений. В некоторых вариантах сканирование может содержать сравнение измерительной электроникой 20 артефактов потока в сигнале измерения расхода с одним или несколькими заранее определенными пороговыми значениями: с заранее определенным пороговым значением 226 пиковой амплитуды, с заранее определенным пороговым значением 228 ширины пика и/или заранее определенным минимальным пороговым значением 233 интервала между пиками. В качестве пиков потока определяют только те пики, которые удовлетворяют вышеупомянутым пороговым значениям. Таким образом, небольшие аномалии потока, такие как небольшие всплески, показанные на фиг. 4Е, не будут оцениваться как пики потока. Указанные небольшие аномалии потока могут повлиять на процесс усреднения из-за деления сигнала измерения расхода на очень короткие временные периоды, что приводит к увеличению времени обработки и нагрузки по обработке сигнала измерения.
Периодичность можно определить путем выполнения анализа по методу окон в сигнале измерения расхода. Анализ по методу окон содержит обработку сигнала измерения расхода с использованием множества временных окон или так называемого «скользящего окна». При обработке по методу окон окно периодически перемещается к следующему местоположению, и выполняется обработка сигнала в границах данного окна для создания индикатора амплитудного пика. Затем окно перемещают к следующему местоположению, и указанная обработка повторяется. Содержимое окна может обрабатываться для того, чтобы определить временную точку максимальной амплитуды или энергии. Упомянутые окна могут перекрываться, либо могут не перекрываться. Результатом обработки может быть создание индикатора максимальной амплитуды сигнала для каждого окна, где ряд окон создает информацию, которая поможет определить все реальные пики потока в сигнале измерения расхода.
На фиг. 3А-3С показаны типовые шаги обработки для пульсирующего потока согласно варианту изобретения. На фиг. 3А показан типовой пульсирующий поток, содержащий пики с разными амплитудами и пики с переменными временными интервалами между ними. На фиг. 3А также показан сигнал измерения расхода. Первые три пика потока отстоят друг от друга на длину временного периода, равную L2. Следующие четыре пика потока отстоят друг от друга на длину временного периода, равную L1. Два последних пика потока отстоят друг от друга на длину временного периода, равную L2. Первый, второй и девятый пики потока имеют амплитуду, равную трем. Третий пик имеет амплитуду, равную четырем, четвертый, шестой, седьмой и восьмой пики потока имеют амплитуду, равную двум. Пятый пик потока имеет амплитуду, равную единице.
На фиг. 3В показан поток по фиг. 3А после определения периодичности и разделения сигнала на ряд временных периодов. Следует заметить, что каждый пик потока расположен фактически по центру своего временного периода. Первый, второй и восьмой временные периоды или окна W1, W2 и W3 имеют длину, равную L2. Третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой временные периоды W3-W7 имеют длину L1.
Следует заметить, что в показанном примере временные периоды W3 и W7 не соприкасаются с соседними периодами W3 и W8. Однако они могут быть расширены до соприкосновения с соседними периодами W2 и W8, если это потребуется. В качестве альтернативы эти периоды могут перекрываться.
На фиг. 3С показан сигнал среднего расхода, полученный из сигнала измерения расхода. Каждый из пиков расхода в периодах W1-W9 по фиг. 3В заменен соответствующим средним значением за период. Следует заметить, что стрелки между фиг. 3В и фиг. 3С обозначают задержку обработки при создании сигнала среднего расхода по фиг. 3С из сигнала измерения расхода, как показано на фиг. 3А-3В.
Пик потока в периоде W5 в этом примере был оценен как недостаточный по амплитуде, чтобы считать его пиком потока при выполнении усреднения. Например, было выполнено сравнение значения указанной амплитуды с пороговым значением 226 амплитуды пика, и оно оказалось меньше этого порогового значения. В результате временной период W5 имеет среднее значение за период, равное нулю, как здесь показано. В качестве альтернативы артефакт расхода на временном периоде W5 может быть включен в один или оба соседних периода W4 и W6 (но со смещением относительно центра периода).
В другом альтернативном варианте обработка периодичности может содержать сравнение артефактов расхода с пороговым значением 26 пиковой амплитуды и оценку маленького пика как недостаточного по амплитуде, после чего этот маленький пик будет включен либо в предыдущий период W4, либо в следующий период W6.
Здесь показано, что среднее значение за период W8 меньше среднего значения за период W7, хотя амплитуда пика потока в периоде W8 равна амплитуде пика потока в периоде W7. Причина этого состоит в том, что период W8 имеет длину L2, которая больше длины L1 периода W7.
Аналогичным образом, среднее за период значение в периоде W3 больше среднего за период значения в периоде W2. Это происходит из-за того, что в периоде W3 амплитуда пика больше, а длина периода меньше, чем в периоде W2.
На фиг. 4А-4Е показаны примеры различных пульсирующих потоков. На фиг. 4А показан пример измерения пульсирующего потока, которое включает в себя измеренные пики потока с одинаковым расстоянием друг от друга. Эти пики потока, по существу, одинаковы в этом примере и появляются фактически с постоянными и предсказуемыми периодическими интервалами. В результате, получение среднего расхода для такой формы сигнала измерения расхода не вызывает особых проблем.
На фиг. 4В показан пульсирующий поток, где второй импульс приходит раньше (по сравнению с сигналами, показанными над и под ним). Такое изменение периодичности между следующими друг за другом пиками влияет на значение среднего расхода. В зависимости от процесса усреднения указанный пик потока (при измерении с использованием известного уровня техники) может дать выходное значение среднего расхода, которое будет претерпевать резкие изменения, если при усреднении принято допущение о том, что периоды являются фиксированными. Например, второй импульс может быть усреднен с первым импульсом, в результате чего получится искусственно завышенное среднее значение в первом периоде, и последующее искусственно заниженное среднее значение в следующем временном периоде.
На фиг. 4С показан пульсирующий поток с неоднородными пиками. В некоторых случаях пик может содержать частичный провал или множество частных пиков. Это обстоятельство может усложнить определение периодичности пульсирующего потока.
На фиг. 4D показан пульсирующий поток, где пики содержат участки, которые находятся ниже горизонтальной оси (ниже нулевого значения амплитуды потока). Эти провалы в сигналах измерения потока представляют примеры обратного или отрицательного потока. Опять же, отрицательный поток может усложнить процесс определения периодичности пульсирующего потока. Кроме того, отрицательный поток может привести к тому, что усреднение окажется неравномерным и приблизительным по своей природе.
На фиг. 4Е показан пульсирующий поток, где между периодическими пиками потока появляются дополнительные пики. Они могут появиться под воздействием окружающей расходомер среды, в том числе из-за открывания или закрывания клапанов, из-за обратной подачи и регулировки насоса, из-за выброса или падения давления, не связанных с работой насоса, или по другим причинам. Нестационарная природа указанных пиков может исказить среднее значение в том случае, если упомянутый маленький пик будет оценен как пик потока, причем перечисленные возмущения также влияют на периодичность сигнала.
На фиг. 5 представлена блок-схема 500 способа определения среднего расхода пульсирующего потока согласно одному варианту изобретения. На шаге 501 вибрационный расходомер создает сигнал измерения расхода. Вибрационный расходомер использует два или более вибрационных сигналов для создания сигнала измерения расхода. Эти два или более вибрационных сигналов могут быть обработаны, чтобы определить разность фаз между двумя или более местами расположения датчиков вдоль вибрирующей проточной трубки или трубок, как известно специалистам в данной области техники. Эту разность фаз используют для создания сигнала измерения расхода. Вдобавок, при создании сигнала измерения расхода могут также использоваться другие значения, константы или данные, как известно специалистам в данной области техники. Сигнал измерения расхода изменяется во времени и фактически мгновенно отслеживает изменение потока материала, протекающего через расходомер.
На шаге 502 в процессе обработки периодичности определяют пики потока и временные периоды между определенными пиками потока. Затем сигнал измерения расхода разделяют на определенную последовательность временных периодов (см. фиг. 3В). Эти временные периоды могут быть фактически однородными, а могут изменяться в соответствии с изменением периодичности потока. Эти временные периоды могут перекрываться или фактически не перекрываться. Эти временные периоды могут иметь длину, соответствующую следующим друг за другом интервалам между реальными пиками потока. Среди этих пиков могут быть положительные или отрицательные пики. В результате определения периодичности сигнала и временных интервалов между пиками потока, а также усреднения сигнала измерения расхода в соответствии с периодами между пиками потока, созданные средние значения периода являются более репрезентативными в отношении пульсирующего потока. Кроме того, полученные средние значения периода могут содержать средние значения, вычисленные для периодов между пиками потока, имеющих переменную длину.
Временные периоды конфигурируют таким образом, чтобы они предпочтительно включали в себя только один пик потока или группу пиков потока на один временной период. В альтернативном варианте, временные периоды можно сконфигурировать таким образом, чтобы они включали в себя только один пик потока или группу пиков потока, величина которых превышает заранее определенное пороговое значение величины пика.
Временные периоды конфигурируют таким образом, чтобы пик потока или группа пиков потока предпочтительно находилась фактически по центру соответствующего временного периода. Благодаря центрированию указанного пика потока в соответствующем временном периоде созданные средние значения периода являются более репрезентативными в отношении пульсирующего потока.
Для процесса определения периодичности возможно потребуется, чтобы артефакт потока удовлетворял заранее определенному пороговому значению 226 амплитуды пика. Пик потока можно сравнить с заранее определенным пороговым значением 226 амплитуды пика, чтобы определить, подходит ли пик потока для выполнения усреднения. Пик потока, который превышает заранее определенное пороговое значение 226 для амплитуды пика, может быть оценен как подходящий для последующей обработки. Такая оценка может содержать оценку только по упомянутому заранее определенному пороговому значению 226 амплитуды пика, либо эта оценка может быть скомбинирована с оценкой других аспектов артефакта потока, в том числе ширины пика и интервала между пиками, как обсуждается ниже.
Для обработки периодичности возможно потребуется, чтобы артефакт потока удовлетворял заранее определенному пороговому значению 228 ширины пика. Заранее определенное пороговое значение 228 ширины пика может представлять минимальную ширину пика. Заранее определенное пороговое значение 228 ширины пика может также содержать максимальную ширину пика. Кроме того, заранее определенное пороговое значение 228 ширины пика может представлять область значений ширины пика, когда артефакт потока оценивают в качестве подходящего пика потока только в том случае, например, если артефакт потока удовлетворяет области значений ширины пика.
Для обработки периодичности может потребоваться, чтобы артефакт потока удовлетворял заранее определенному минимальному интервалу 233 между пиками. Заранее определенный минимальный интервал 233 между пиками представляет минимальный временной интервал между следующими друг за другом, или соседними пиками потока. Для обработки периодичности может потребоваться, чтобы текущий пик потока отстоял от предыдущего пика на заранее определенный минимальный интервал 233 между пиками, чтобы его можно было оценить в качестве пика потока, подходящего для усреднения. Это позволяет избежать неправильной оценки множества пиков в качестве следующего пика, например множество пиков, показанных в центре графика на фиг. 4С.
Не исключается возможность использования других характеристик периодичности в рамках объема данного описания и формулы изобретения. Аналогичным образом, не исключается возможность использования других характеристик пика сигнала в рамках объема данного описания и формулы изобретения.
Периодичность можно определить, используя дискретное преобразование Фурье (DFT), как обсуждалось ранее. Периодичность можно определить путем сканирования пиков, что также обсуждалось ранее. Также периодичность можно определить, используя анализ по методу окон, как обсуждалось ранее.
На шаге 503 суммируют измерение расхода за каждый временной период, получая сумму для конкретного временного периода. Измерения расхода можно просуммировать любым подходящим способом. Например, если измерения расхода содержат цифровой сигнал, то суммирование может содержать суммирование ряда амплитудных значений или значений временных отрезков для конкретного окна.
На шаге 504 каждую сумму за период делят на длину соответствующего временного периода. В результате этого деления получают средний расход за данный временной период. Таким образом, каждый средний расход за период получают с отставанием от действительного потока. Однако в некоторых вариантах каждый средний расход за период может отставать от действительного потока только на один временной период, что является преимуществом данного варианта осуществления изобретения. Затем можно изменить синхронизацию сигнала среднего расхода с действительным потоком текучей среды путем уменьшения длины указанного временного периода, если это потребуется. Однако, при адаптивном изменении длины временного периода для отслеживания интервала между реальными пиками потока, длина временного периода будет автономно уменьшаться при увеличении частоты (при уменьшении интервала между пиками потока). В результате относительная точность сигнала среднего расхода будет адаптивно изменяться в соответствии с изменениями в пульсирующем потоке.
На шаге 505 выводится сигнал среднего расхода. Сигнал среднего расхода содержит последовательность средних расходов за период. Последовательность средних расходов за период содержит средний расход протекающей текучей среды, причем вывод результатов измерения среднего расхода фактически синхронизирован с изменениями в потоке.
Вибрационный расходомер и способ согласно настоящему изобретению можно использовать согласно любому вышеописанному варианту для достижения ряда преимуществ, если это потребуется. Вибрационный расходомер и способ согласно любому варианту настоящего изобретения может обеспечить более качественную обработку пульсирующих потоков. Вибрационный расходомер и способ согласно любому из описанных вариантов может обеспечить более точные и надежные измерения среднего расхода. Вибрационный расходомер и способ согласно любому из описанных вариантов может обеспечить получение среднего расхода с быстрым обновлением его значения. Вибрационный расходомер и способ согласно любому из описанных вариантов может обеспечить получение среднего расхода с минимальным отставанием от мгновенного расхода.
Подробное описание вышеуказанных вариантов не распространяется на описание всех вариантов, которые, как предполагается авторами изобретения, не выходят за рамки объема изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что некоторые элементы вышеописанных вариантов можно различным образом комбинировать либо исключить для создания дополнительных вариантов, причем указанные дополнительные варианты не будут выходить за рамки объема и основополагающих принципов изобретения. Также специалистам в данной области техники должно быть ясно, что вышеописанные варианты можно объединить целиком или частично для создания дополнительных вариантов в рамках объема и основополагающих принципов изобретения. Соответственно, объем изобретения должен определяться исключительно нижеследующей формулой изобретения.
Изобретение относится к вибрационному расходомеру (5) для определения среднего расхода пульсирующего потока. Вибрационный расходомер (5) содержит сборку (10) расходомера, включающую в себя по меньшей мере два измерительных преобразователя (105, 105') и сконфигурированную для создания по меньшей мере двух вибрационных сигналов, и измерительную электронику (20), сконфигурированную для приема указанных по меньшей мере двух вибрационных сигналов и создания сигнала измерения расхода, разделения сигнала измерения расхода на ряд временных периодов, где каждый временной период включает в себя один пик потока, расположенный по центру временного периода, суммирования измерений расхода для каждого временного периода для создания суммы за период и деления суммы за период на длину временного периода для создания среднего расхода за период, где измерительная электроника (20) выводит последовательность средних расходов за период в качестве сигнала среднего расхода. Технический результат - повышение качества обработки пульсирующих потоков, повышение надежности измерения среднего расхода, получение среднего расхода с минимальным отставанием от мгновенного расхода. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.
1. Вибрационный расходомер (5) для определения среднего расхода пульсирующего потока, причем вибрационный расходомер (5) содержит:
сборку (10) расходомера, включающую в себя по меньшей мере два измерительных преобразователя (105, 105') и сконфигурированную для формирования по меньшей мере двух вибрационных сигналов; и
измерительную электронику (20), сконфигурированную для приема указанных по меньшей мере двух вибрационных сигналов и формирования сигнала измерения расхода, разделения сигнала измерения расхода на ряд временных периодов, причем каждый временной период включает в себя один пик потока, расположенный по существу по центру временного периода, суммирования измерений расхода для каждого временного периода для создания суммы за период, и деления суммы за период на длину временного периода для создания среднего расхода за период, причем измерительная электроника (20) выводит последовательность средних расходов за период в качестве сигнала среднего расхода.
2. Вибрационный расходомер (5) по п. 1, в котором сигнал среднего расхода содержит сигнал среднего массового расхода.
3. Вибрационный расходомер (5) по п. 1, в котором сигнал среднего расхода содержит сигнал среднего объемного расхода.
4. Вибрационный расходомер (5) по п. 1, в котором длина временного периода является фактически фиксированной.
5. Вибрационный расходомер (5) по п. 1, в котором длина временного периода является адаптивной.
6. Вибрационный расходомер (5) по п. 1, в котором измерительная электроника (20) сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода.
7. Вибрационный расходомер (5) по п. 1, в котором измерительная электроника (20) сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем выполнения дискретного преобразования Фурье (DFT) на сигнале измерения расхода.
8. Вибрационный расходомер (5) по п. 1, в котором измерительная электроника (20) сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем сканирования пиков в сигнале измерения расхода.
9. Вибрационный расходомер (5) по п. 1, в котором измерительная электроника (20) сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем сканирования пиков в сигнале измерения расхода, причем это сканирование содержит сравнение измерительной электроникой (20) артефактов потока в сигнале измерения расхода с одним или несколькими заранее определенными пороговыми значениями: заранее определенным пороговым значением (226) пиковой амплитуды, заранее определенным пороговым значением (228) ширины пика и/или заранее определенным пороговым значением (233) минимального интервала между пиками.
10. Вибрационный расходомер (5) по п. 1, в котором измерительная электроника (20) сконфигурирована для определения периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем выполнения анализа по методу окон на сигнале
измерения потока.
11. Способ определения среднего расхода пульсирующего потока, причем способ содержит:
прием двух или более сигналов вибрационного отклика от двух или более измерительных преобразователей вибрационного расходомера и формирование сигнала измерения расхода;
разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов, причем каждый временной период включает в себя один пик потока, расположенный фактически по центру временного периода;
суммирование измерений расхода для каждого временного периода для создания суммы за период, и
деление суммы за период на длину временного периода для создания среднего расхода за период, причем в качестве сигнала среднего расхода выводится последовательность средних расходов за период.
12. Способ по п. 11, в котором сигнал среднего расхода содержит сигнал среднего массового расхода.
13. Способ по п. 11, в котором сигнал среднего расхода содержит сигнал среднего объемного расхода.
14. Способ по п. 11, в котором длина временного периода является фактически фиксированной.
15. Способ по п. 11, в котором длина временного периода является адаптивной.
16. Способ по п. 11, в котором разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов содержит определение периодичности в сигнале измерения расхода.
17. Способ по п. 11, в котором разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов содержит определение периодичности в сигнале измерения расхода, где периодичность определяют путем выполнения дискретного преобразования Фурье (DFT) на сигнале измерения расхода.
18. Способ по п. 11, в котором разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов содержит определение периодичности в сигнале измерения расхода, причем периодичность определяют путем сканирования пиков в сигнале измерения расхода.
19. Способ по п. 11, в котором разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов содержит определение периодичности в сигнале измерения расхода, причем периодичность определяют путем сканирования пиков в сигнале измерения расхода, и где указанное сканирование содержит сравнение артефактов потока в сигнале измерения расхода с одним или несколькими заранее определенными пороговыми значениями: заранее определенным пороговым значением пиковой амплитуды, заранее определенным пороговым значением ширины пика и/или заранее определенным пороговым значением минимального интервала между пиками.
20. Способ по п. 11, в котором разделение сигнала измерения расхода на ряд временных периодов содержит определение периодичности в сигнале измерения расхода, причем периодичность определяют путем выполнения анализа по методу окон на сигнале измерения потока.
| US 5969264 A, 19.10.1999 DE 19653184 A1, 02.07.1998 US 4011757 A, 15.03.1977WO 9807009 A1, 19.02.1998 |
