ПРОВЕРКА ТЕМПЕРАТУРЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ Российский патент 2016 года по МПК G01F1/66 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Природный газ транспортируют от одного места к другому месту посредством трубопроводов. Необходимо точно знать количество газа, протекающего в трубопроводе, и, в частности, точность особенно 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 ультразвуковые расходомеры.

[0002] Ультразвуковые расходомеры представляют собой один тип расходомера, который может быть использован для измерения количества текучей среды, протекающей в трубопроводе. Ультразвуковые расходомеры имеют точность, достаточную для их использования при передаче продукта. В ультразвуковом расходомере акустические сигналы отправляют в одну сторону и в обратную сторону через поток текучей среды, который должен быть измерен. На основании параметров принятых акустических сигналов определяют 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 представляет собой функцию от скорости звука в текучей среде. Температура представляет собой один из факторов, оказывающих воздействие на скорость звука в текучей среде. Следовательно, ошибка в измерении температуры может привести к нежелательной неточности в измерении параметров потока. Таким образом, необходимы технические средства для выявления ошибок в результатах измерения температуры текучей среды, протекающей через ультразвуковой расходомер.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В настоящей заявке описаны устройство и способы проверки измерений температуры в ультразвуковом расходомере. В одном варианте реализации измерительная система для ультразвукового измерения расхода содержит канал для потока текучей среды, датчик температуры и ультразвуковой расходомер. Датчик температуры размещен для измерения температуры текучей среды, протекающей в канале. Ультразвуковой расходомер содержит множество пар ультразвуковых преобразователей и управляющие электронные устройства. Каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования хордальной траектории сквозь канал между преобразователями. Управляющие электронные устройства соединены с ультразвуковыми преобразователями. Управляющие электронные устройства выполнены с возможностью измерения скорости звука между каждой парой преобразователей на основании ультразвуковых сигналов, проходящих между преобразователями этой пары. Управляющие электронные устройства также выполнены с возможностью определения, на основании измеренных скоростей звука, точно ли измеренное значение температуры, выданное датчиком температуры, отражает температуру текучей среды, протекающей в канале.

[0005] В другом варианте реализации способ проверки температуры текучей среды в потоке текучей среды включает измерение скорости звука для каждой из множества хордальных траекторий ультразвукового расходомера на основании ультразвуковых сигналов, проходящих между парой преобразователей каждой хордальной траектории. Температуру текучей среды в потоке текучей среды измеряют на основании сигнала, выданного датчиком температуры, размещенным в потоке текучей среды. На основании скорости звука, измеренной для каждой хордальной траектории, определяют, точно ли измеренная температура отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

[0006] Еще в одном варианте реализации ультразвуковой расходомер содержит управляющие электронные устройства и множество пар ультразвуковых преобразователей. Каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования хордальной траектории сквозь канал для текучей среды между преобразователями. Управляющие электронные устройства соединены с ультразвуковыми преобразователями. Управляющие электронные устройства выполнены с возможностью измерения скорости звука для каждой хордальной траектории на основании ультразвуковых сигналов, проходящих между преобразователями хордальной траектории. Управляющие электронные устройства также выполнены с возможностью определения температуры текучей среды в потоке текучей среды. Определенная температура основана на измерении датчиком температуры, размещенным в потоке текучей среды. Управляющие электронные устройства дополнительно выполнены с возможностью определения, на основании скорости звука, измеренной для каждой хордальной траектории, точно ли определенная температура отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Для подробного описания иллюстративных вариантов реализации настоящего изобретения далее приведены ссылки на прилагаемые чертежи.

[0008] На фиг. 1 показан ультразвуковой расходомер в соответствии с различными вариантами реализации.

[0009] На фиг. 2 показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера в соответствии с различными вариантами реализации.

[0010] На фиг. 3 показан вид с торца в вертикальном разрезе ультразвукового расходомера в соответствии с различными вариантами реализации.

[0011] На фиг. 4 показано расположение пар преобразователей ультразвукового расходомера в соответствии с различными вариантами реализации.

[0012] На фиг. 5 показана измерительная система для ультразвукового измерения расхода в соответствии с различными вариантами реализации.

[0013] На фиг. 6 показана структурная схема системы для проверки результатов измерений температуры в ультразвуковом расходомере в соответствии с различными вариантами реализации.

[0014] На фиг. 7 показана блок-схема способа проверки правильности результатов измерений температуры в ультразвуковом расходомере в соответствии с различными вариантами реализации.

[0015] На фиг. 8 показана блок-схема способа проверки правильности результатов измерений температуры в ультразвуковом расходомере в соответствии с различными вариантами реализации.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ

[0016] Конкретные термины использованы в приведенных далее разделе «Осуществление изобретения» и формуле изобретения для обращения к конкретным компонентам системы. Как будет очевидно специалисту в области техники, компании могут называть компонент различными именами. Данная заявка не предназначена для проведения различий между компонентами, которые отличаются по названию, а не по функциональному назначению. В приведенных далее разделе «Осуществление изобретения» и формуле изобретения термины «включающий» и «содержащий» использованы в неограничивающем виде, и поэтому их не следует интерпретировать как «включающий, но без ограничения…». Кроме того, термин «соединяют» или «соединяет» не означает косвенное или прямое соединение. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, то это соединение может быть реализовано посредством прямого электрического соединения или косвенного электрического соединения посредством других устройств и соединений. Кроме того, термин «программное обеспечение» содержит любой выполняемый код, выполненный с возможностью запуска на устройстве обработки данных, вне зависимости от среды, использованной для сохранения этого программного обеспечения. Таким образом, код, сохраненный в памяти (например, энергонезависимой памяти) и иногда называемый как «встроенные программно-аппаратные средства», включен в определение программного обеспечения. Фраза «основан на» означает «основан по меньшей мере частично на». Таким образом, если X основан на Y, то X может быть основан на Y и любом другом количестве других факторов.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] Приведенное далее описание направлено на различные примеры реализации настоящего изобретения. Фигуры чертежей не обязательно изображены в масштабе. Конкретные особенности вариантов реализации могут быть показаны с увеличением в масштабе или в некоторой схематической форме, а некоторые сведения об обычных элементах могут быть и не показаны в интересах ясности и краткости. Раскрытые варианты реализации не следует интерпретировать или другим образом использовать 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, этим примером реализации. Следует полностью понимать, что различные описания раскрытых далее вариантов реализации могут быть применены по отдельности или в любом подходящем сочетании для обеспечения необходимых результатов. Кроме того, различные варианты реализации были созданы в контексте измерительных углеводородных потоков (например, сырая нефть, природный газ), а описание следует из научно-производственного контекста, однако описанные системы и способы в равной степени применимы к измерению любого потока текучей среды.

[0018] На фиг. 1 показан ультразвуковой расходомер 100 в соответствии с различными вариантами реализации. Ультразвуковой расходомер 100 содержит корпусную деталь расходомера или патрубок 102, который задает центральный канал или отверстие 104. Патрубок 102 выполнен или сконструирован с возможностью его соединения с трубопроводом или другой конструкцией (не показана), передающей текучие среды (например, природный газ) таким образом, что эти текучие среды, протекающие в трубопроводе, совершают перемещение через центральное отверстие 104. В то время как текучие среды совершают перемещение через центральное отверстие 104, ультразвуковой расходомер 100 измеряет расход (следовательно, текучая среда может быть названа как измеряемая текучая среда). Патрубок 102 содержит выступы 106, которые способствует соединению патрубка 102 с другой конструкцией. В других вариантах реализации в качестве эквивалента может быть использована любая подходящая система для соединения патрубка 102 с конструкцией (например, соединения сваркой).

[0019] Для измерения потока текучей среды в пределах патрубка 102 ультразвуковой расходомер 100 содержит множество блоков преобразователей. На данном виде по фиг. 1 пять таких блоков 108, 110, 112, 116 и 120 преобразователей представлены в полном или частичном виде. Блоки преобразователей составляют пары (например, блоки 108 и 110 преобразователей), как будет дополнительно описано далее. Кроме того, каждый блок преобразователей электрически соединен с блоком 124 управляющих электронных устройств. В частности, каждый блок преобразователей электрически соединен с блоком 124 управляющих электронных устройств посредством соответствующего кабеля 126 или эквивалентного узла для проведения сигналов.

[0020] На фиг. 2 показан вид сверху ультразвукового расходомера 100 в разрезе, выполненном по существу вдоль линии 2-2 на фиг. 1. Патрубок 102 имеет предварительно заданный размер и задает центральное отверстие 104, через которое протекает измеряемая текучая среда. Иллюстративная пара блоков 112 и 114 преобразователей расположена вдоль длины патрубка 102. Преобразователи 112 и 114 представляют собой акустические приемопередатчики и, в частности, акустические приемопередатчики. Ультразвуковые преобразователи 112, 114 генерируют и принимают акустические сигналы с частотами, составляющими приблизительно 20 кГц. Акустические сигналы могут быть сгенерированы и приняты пьезоэлектрическим элементом в каждом преобразователе. Для генерирования ультразвукового сигнала пьезоэлектрический элемент возбуждают электрическим образом посредством сигнала (например, синусоидального сигнала), а указанный элемент отвечает вибрацией. Вибрация пьезоэлектрического элемента генерирует акустический сигнал, который совершает перемещение через измеряемую текучую среду на соответствующий блок преобразователей пары. Аналогичным образом, после падения акустического сигнала, принимающий пьезоэлектрический элемент вибрирует и генерирует электрический сигнал (например, синусоидальный сигнал), который регистрируют, оцифровывают и анализируют посредством электронных устройств, связанных с расходомером 100 (например, посредством управляющих электронных устройств 124).

[0021] Траектория 200, также называемая "хордой", проходит между иллюстративными блоками 112 и 114 преобразователей под углом к центральной линии 202. Длина хорды 200 представляет собой расстояние между лицевой стороной блока 112 преобразователей и лицевой стороной блока 114 преобразователей. Точки 204 и 206 задают места, в которых акустические сигналы, сгенерированные блоками 112 и 114 преобразователей, входят и выходят из текучей среды, протекающей через патрубок 102 (то есть входят в отверстие патрубка). Положение блоков 112 и 114 преобразователей может быть задано посредством угла, посредством первой длины, измеренной между лицевыми сторонами блоков 112 и 114 преобразователей, посредством второй длины, соответствующей осевому расстоянию между точками 204 и 206, а также посредством третьей длины, соответствующей внутреннему диаметру трубопровода. В большинстве случаев расстояния, и точно определяют во время изготовления расходомера. Измеренная текучая среда, такая как природный газ, протекает в направлении 208 с профилем 210 скорости. Вектора 212, 214, 216 и 218 скорости показывают, что скорость газа через патрубок 102 увеличивается по направлению к центральной линии 202 патрубка 102.

[0022] Первоначально нижний по потоку блок 112 преобразователей генерирует ультразвуковой сигнал, который попадает на верхний по потоку блок 114 преобразователей и, таким образом, регистрируется этим верхним по потоку блоком 114 преобразователей. Через некоторое время верхний по потоку блок 114 преобразователей генерирует ответный ультразвуковой сигнал, который попадает на нижний по потоку блок 112 преобразователей и регистрируется этим нижним по потоку блоком 112 преобразователей. Таким образом, блоки преобразователей обмениваются или играют роли "питчера и кетчера" с ультразвуковыми сигналами 220 вдоль хордальной траектории 200. Во время работы данная последовательность может возникать тысячи раз в минуту.

[0023] Время передачи ультразвукового сигнала 220 между иллюстративными блоками 112 и 114 преобразователей частично зависит от того, совершает ли ультразвуковой сигнал 220 перемещение вверх по потоку или вниз по потоку по отношению к потоку текучей среды. Время передачи ультразвукового сигнала, совершающего перемещение вниз по потоку (то есть в том же самом направлении, что и поток текучей среды), меньше, чем его время передачи при совершении перемещения вверх по потоку (то есть против потока текучей среды). Время передачи вверх по потоку и время передачи вниз по потоку могут быть использованы для расчета средней скорости вдоль траектории сигнала и скорости звука в измеренной текучей среде. При наличии поперечных результатов измерений расходомера 100, передающего текучую среду, средняя скорость в области центрального отверстия 104 может быть использована для нахождения объема текучей среды, протекающей через патрубок 102.

[0024] Ультразвуковые расходомеры могут иметь одну или большее количество хорд. На фиг. 3 показан вид с торца в вертикальном разрезе ультразвукового расходомера 100. В частности, иллюстративный ультразвуковой расходомер 100 имеет четыре хордальные траектории A, B, C и D на разных высотах в пределах патрубка 102. Каждая хордальная траектория A-D соответствует паре преобразователей, работающих в альтернативном варианте в виде передатчика и приемника. Блоки 108 и 110 преобразователей (видны только частично) задают хордальную траекторию A. Блоки 112 и 114 преобразователей (видны только частично) задают хордальную траекторию B. Блоки 116 и 118 преобразователей (видны только частично) задают хордальную траекторию C. И наконец блоки 120 и 122 преобразователей (видны только частично) задают хордальную траекторию D.

[0025] Дополнительный аспект расположения четырех пар преобразователей показан согласно фиг. 4, на которой изображен вид сверху. Каждая пара преобразователей соответствует одиночной хордальной траектории по фиг. 3, однако блоки преобразователей установлены под неперпендикулярным углом по отношению к центральной линии 202. Например, первая пара блоков 108 и 110 преобразователей установлена под неперпендикулярным углом к центральной линии 202 патрубка 102. Другая пара блоков 112 и 114 преобразователей установлена таким образом, что хордальная траектория приблизительно формирует форрму «X» по отношению к хордальной траектории блоков 108 и 110 преобразователей. Аналогичным образом, блоки 116 и 118 преобразователей размещены параллельно блокам 108 и 110 преобразователей, но расположены на различном «уровне» или высоте. На фиг. 4 неявным образом показана четвертая пара блоков преобразователей (то есть блоки 120 и 122 преобразователей). Согласно фиг. 2, 3 и 4, пары преобразователей могут быть расположены таким образом, что верхние две пары преобразователей, соответствующие хордам A и B, формируют форму «X», а нижние две пары преобразователей, соответствующие хордам C и D, также формируют форму «X». Скорость потока текучей среды может быть определено в каждой хорде A D для получения хордальных скоростей потока, а хордальные скорости потока объединяют для определения средней скорости потока на протяжении всей трубы. На основании средней скорости потока может быть определено количество текучей среды, протекающей в патрубке и поэтому трубопроводе.

[0026] Обычно управляющие электронные устройства (например, блок 124 управляющих электронных устройств) вызывают то, что преобразователи (например, 112, 114) возбуждают, принимают выходной сигнал преобразователей, вычисляют среднюю скорость потока для каждой хорды, вычисляют среднюю скорость потока через расходомер и выполняют диагностику расходомера. Объемный расход и возможные другие измеренные и вычисленные значения, такие как скорость потока и скорость звука, затем выдают на дополнительные устройства, такие как вычислительное устройство для вычисления расхода, который выполнен внешним по отношению к расходомеру 110.

[0027] 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.

[0028] Для рассматриваемой хорды скорость хордального потока получена следующим образом:

а хордальная скорость звука получена следующим образом:

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

[0029] Средняя скорость потока через расходомер 100 задана следующим образом:

причем:

w_i представляет собой хордальный весовой коэффициент,

v_i представляет собой измеренную хордальную скорость потока, а

суммирование i выполняют по всем хордам.

Для получения дополнительной информации следует ознакомиться с патентами США №3,564,912, №3,940,985 и №4,646,575.

[0030] Расход Q_flow через расходомер 100 затем задан следующим образом:

причем A представляет собой площадь сечения центрального отверстия 104.

[0031] На фиг. 5 показана измерительная система 500 для ультразвукового измерения расхода в соответствии с различными вариантами реализации. В системе 500 ультразвуковой расходомер 100 соединен с трубой или другой конструкцией 502. В некоторых вариантах реализации труба 502 размещена внизу по потоку по отношению к ультразвуковому расходомеру 100. Труба 502 содержит отверстия 514, которые обеспечивают возможность получения датчиками 504-508 доступа к потоку текучей среды, протекающему через систему 500. Датчики 504-508 измеряют различные свойства или параметры текучей среды и выдают измерения на управляющие электронные устройства 124 посредством среды 512 для проведения сигналов (например, посредством проводов). Датчик 504 представляет собой датчик газовой смеси, такой как газовый хроматограф, который выдает информацию, характеризующую количество каждого составляющего элемента газа, протекающего через систему 500. Датчик 506 представляет собой датчик давления, который выдает сигналы, характеризующие давление текучей среды, протекающей в системе 500. Датчик 508 представляет собой датчик температуры (например, резистивный датчик сопротивления), который выдает сигналы, характеризующие температуру текучей среды, протекающей через систему 500. Датчик 508 температуры проходит во внутренний канал 510 трубы 502 и измеряет температуру текучей среды, протекающей через систему 500, в конце датчика 508. Таким образом, датчик температуры 502 расположен для измерения температуры текучей среды на конкретной высоте.

[0032] На основании смеси из текучей среды, давления и информации о температуре, выданных соответственно датчиками 504, 506 и 508, управляющие электронные устройства 124 могут вычислить скорость звука через текучую среду с использованием предварительно заданных теоретических или экспериментальных значений. Например, управляющие электронные устройства могут вычислить скорость звука в текучей среде, как указано в отчете №10 «Скорость звука в природном газе и других родственных углеводородах» Американской газовой ассоциации (AGA 10). Некоторые варианты реализации управляющих электронных устройств 124 могут использовать данную вычисленную скорость звука для проверки значений скорости звука, измеренной для каждой хорды расходомера 100.

[0033] Ультразвуковой расходомер 100 измеряет объем текучей среды, протекающей через расходомер, при температуре и давлении текучей среды. Следовательно, выдача данных только об объеме (или расходе, который представляет собой объем за единицу времени) текучей среды, протекающей через расходомер 500, не может в полной мере определить количество текучей среды, проходящей через расходомер 100. Например, 1 кубометр (м³) метана при давлении в 30 фунтов на квадратный дюйм (30 фунт/дюйм²=2,11 кг/см²) и температуре в 78 градусов по Фарингейту (78°F=25,26°C) составляет количество (например, масса или количество моль) текучей среды, приблизительно в два раза большее, чем при 1 м³ метана при давлении 15 фунт/дюйм² (1,055 кг/см²) и температуре в 78°F (25,26°C). Таким образом, данные об объемном расходе выдают по отношению к конкретным значениям температуры и давления. Варианты реализации расходомера 100 применяют стандартное основное условие температуры и давления, упоминаемые при указании объемов. Например, для использования в нефтегазовой промышленности расходомер 100 может применять базовое условие в 14,7 фунт/дюйм² (1 атмосфер) (1,03 кг/см²) и 60°F (15,56°C). Некоторые варианты реализации могут применять основные условия, применяющие другие температуры и/или давления.

[0034] Расход Q_base при стандартной базовой температуре T_base (например, 60°F=15,56°C) и давлении P_base (например, 14,7 фунт/дюйм²=1,03 кг/см²) может быть связан с измеренным расходом Q_flow через расходомер 100 при измеренной температуре T_flow и давлении P_flow в этом расходомере следующим образом:

причем Z представляет собой коэффициент сжатия текучей среды. Термодинамические свойства газа в расходомере 100 обычно имеют отклонения от свойств идеального газа. Эти отклонения от свойств идеального газа могут быть количественно определены коэффициентом Z сжатия, который может быть выражен следующим образом:

причем:

p представляет собой давление,

V представляет собой объем,

n представляет собой количество моль,

R представляет собой газовую постоянную, а

T представляет собой абсолютную температуру.

Идеальный газ имеет коэффициент сжатия, составляющий единицу. AGA 10 обеспечивает коэффициент (Z) сжатия, который необходимо вычислить при заданных температуре, давлении и составе газа.

[0035] Расходомер 100 имеет многочисленные хорды, каждая из которых расположена на конкретной высоте в расходомере 100. Например, расходомер 100, как показано на фиг. 3, имеет четыре различные хорды (A, B, C, D), каждая из которых расположена на различном высоте в расходомере 100. Температурный градиент может возникать в текучей среде, протекающей через расходомер 100, когда эта текучая среда смешана ненадлежащим образом или когда часть расходомера 100 подвержена воздействию более высокой температуры, чем его другая часть. Например, если верхние поверхности расходомера 100 подвержены воздействию прямого солнечного света, то затем температура текучей среды, проходящей через хорду A, может быть выше, чем температура текучей среды, проходящей через хорду B, которая выше, чем температура текучей среды, проходящей через хорду C, и т.д. Амплитуда любого температурного градиента между верхней частью и нижней частью расходомера 100 стремится к увеличению при увеличении размера расходомера и может превышать несколько градусов по Фарингейту. Температурный градиент может вызывать то, что измеренная температура T_flow является неточной, что в свою очередь будет вызывать неточность в базовом расходе Q_base.

[0036] Температурный градиент может вызвать то, что каждая хорда расходомера 100 имеет различную температуру и имеет измеренную скорость звука, отличную от скорости звука, рассчитанной для текучей среды с использованием температуры, измеренной при одиночной высоте в пределах системы 500 (то есть температуры (T_flow), измеренной датчиком 508 температуры). Таким образом, когда температурный градиент представлен в текучей среде, протекающей через расходомер 100, то температура, измеренная датчиком 508 температуры, не может точно отражать температуру текучей среды в хордах или среднюю температуру текучей среды в расходомере.

[0037] Варианты реализации расходомера 100 выполнены с возможностью регистрации температурного градиента на основании хордальных скоростей звука и с возможностью генерирования тревожного сигнала, указывающего на наличие температурного градиента и на то, что Q_base может быть неточным. В ответ на предупреждающий сигнал различие температур и связанные с этим ошибки измерения расхода могут быть исследованы и уточнены.

[0038] Если температурный градиент зарегистрирован, то некоторые варианты реализации расходомера 100 могут использовать значение температуры, извлеченное из хордальных скоростей звука, для уточнения измеренной температуры T_flow, а также, в свою очередь, для уточнения базового расхода Q_base. При наличии измеренных хордальных скоростей звука давление измеренной текучей среды, состав газа, температура в каждой хорде могут быть вычислены в соответствии с AGA 10. Варианты реализации могут применять цифровой способ вычисления температуры, согласно которому скорость звука, основанная на AGA 10, согласована с измеренной хордальной скоростью звука. Некоторые варианты реализации могут использовать способ бисекции и могут начинать с оценок первоначальных температур, которые больше чем (например, +10°F= -12,22°C) и меньше чем (например, -10°F = -23,33°C) измеренная температура T_flow. Альтернативный вариант реализации может вычислять скорости звука при двух фиксированных температурах, которые больше чем (например, +10°F) и меньше чем (например, -10°F) измеренная температура T_flow, а затем может определять температуру в каждой хорде путем линейной интерполяции между двумя предварительно вычисленными фиксированными температурами.

[0039] На основании правильных температур потока $$T_{flow}^{\text{'}}$$ для каждой хорды варианты реализации могут вычислить уточненную температуру потока $$T_{flow}^{corrected}$$ следующим образом:

причем w_i представляет собой хордальный весовой коэффициент, а суммирование i выполняют по всем хордам. Хордальный весовой коэффициент w_i представляет собой фактор, применяемый для определения средней скорости потока на основании хордальных скоростей потока по формуле (3). Варианты реализации могут применять $$T_{flow}^{corrected}$$ в формуле 5 для расчета Q_base.

[0040] На фиг. 6 показана структурная схема системы 600 для проверки правильности измерений температуры в ультразвуковом расходомере 100 в соответствии с различными вариантами реализации. Система 600 может быть реализована в системе 500 по фиг. 5. Система 600 содержит ультразвуковой расходомер 100, датчик 508 температуры, датчик 506 давления и датчик 504 газовой смеси.

[0041] Управляющие электронные устройства 124 содержат формирователи сигналов и/или приемники 604 ультразвуковых преобразователей, устройство 602 обработки данных и запоминающее устройство 606. Формирователи сигналов и/или приемники 604 ультразвуковых преобразователей генерируют и передают электрические сигналы на ультразвуковые преобразователи 616 и принимают электрические сигналы от этих ультразвуковых преобразователей 616. Ультразвуковые преобразователи 616 содержат преобразователи 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122.

[0042] Устройство 602 обработки данных соединено с формирователями сигналов и/или приемниками 616 ультразвуковых преобразователей. Устройство 602 обработки данных управляет генерированием электрических сигналов, выдаваемых на ультразвуковые преобразователи 616, и обрабатывает сигналы, принимаемые от ультразвуковых преобразователей 616, для установления скорости звука, расхода и т.д. Устройство 602 обработки данных может содержать, например, один или большее количество микропроцессоров общего назначения, устройства обработки цифровых сигналов, микроконтроллеры или другие устройства, выполненные с возможностью выполнения инструкций, извлеченных из машиночитаемого носителя данных. Процессорные архитектуры обычно включают исполнительные блоки (например, с фиксированной точкой, с правающей точкой, целочисленное и т.д.), запоминающее устройство (например, регистры, замять и т.д.), средства дешифровки инструкций, периферийные устройства (например, контроллеры прерывания, таймеры, контроллеры прямого доступа к памяти и т.д.), системы ввода/вывода данных (например, последовательные порты, параллельные порты и т.д.) и различные другие компоненты и подсистемы.

[0043] Запоминающее устройство 606 соединено с устройством 602 обработки данных. Запоминающее устройство 606 представляет собой машиночитаемый носитель данных с долговременным хранением данных и может содержать энергонезависимое запоминающее устройство, такое как оперативное запоминающее устройство, энергозависимое запоминающее устройство (например, жесткий диск, оптическое запоминающее устройство (например, CD- или DVD-диск), запоминающее устройство типа Flash, постоянное запоминающее устройство) или их сочетания. Запоминающее устройство 606 содержит инструкции для их выполнения устройством 602 обработки данных и значения данных, создаваемые и/или обрабатываемые путем выполнения инструкций устройства 602 обработки данных.

[0044] В частности, запоминающее устройство 606 содержит модуль 608 вычисления скорости звука и скорости текучей среды, который содержит инструкции, выполняемые устройством обработки данных для вычисления хордальной скорости звука и скорости текучей среды на основании времени распространения ультразвуковых сигналов между преобразователями 616 (то есть преобразователями пары преобразователей). Запоминающее устройство 606 также содержит модуль 610 для проверки правильности температуры, который содержит инструкции для проверки правильности значения температуры, выданного датчиком 508 температуры. Модуль 610 для проверки правильности температуры может содержать модуль 612 сравнения значений скорости звука, которые содержат инструкции, которые вызывают то, что устройство 602 обработки данных сравнивает значения хордальной скорости звука друг с другом и идентифицирует температурный градиент на основании этого сравнения. В некоторых вариантах реализации модуль 612 сравнения значений скорости звука идентифицирует аномальные значения скорости звука (то есть провалы и всплески значений) и исключает такие значения из сравнения. Если температурный градиент превышает предварительно заданное максимальное значение градиента, то затем устройство 602 обработки данных может генерировать предупреждающий сигнал. Предупреждающий сигнал может быть выдан на внешнюю систему 618 для представления пользователю.

[0045] Модуль 610 для проверки правильности температуры может содержать вычислительный модуль 614 для вычисления температуры, который содержит инструкции, которые вызывают то, что устройство 602 обработки данных вычисляет значения температуры, соответствующие каждой хордальной траектории. Значение температуры для хордальной траектории может быть вычислено на основании хордальной скорости звука, давления измеренной текучей среды, выданного датчиком давления 506, и состава газа, выданного датчиком 504 газовой смеси. Вычислительный модуль 614 для вычисления температуры может вычислять среднюю температуру текучей среды на основании вычисленных температур для каждой хордальной траектории. В некоторых вариантах реализации вычислительный модуль 614 для вычисления температуры идентифицирует аномальные значения скорости звука (то есть провалы и всплески значений) и исключает такие значения из вычисления средней температуры текучей среды. Если вычисленная средняя температура текучей среды отличается от температуры измеренной текучей среды на значение, превышающее предварительно заданное максимальное значение разности, то затем устройство обработки данных может генерировать предупреждающий сигнал. Предупреждающий сигнал может быть выдан на внешнюю систему 618 для представления пользователю.

[0046] На фиг. 7 показана блок-схема способа проверки правильности измерений температуры в ультразвуковом расходомере 100 в соответствии с различными вариантами реализации. Несмотря на то, что действия в целях удобства показаны последовательно, по меньшей мере некоторые из показанных действий могут быть выполнены в другом порядке и/или выполнены параллельно. Кроме того, некоторые варианты реализации могут выполнять только некоторые из показанных действий. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере некоторые из операций по фиг. 7, а также другие операции, описанные в настоящей заявке, могут быть реализованы в виде инструкций, сохраненных на машиночитаемой носителе 606 и выполняемых устройством 602 обработки данных.

[0047] В блоке 702 текучая среда протекает через центральный канал 104 расходомера 100. Датчик 508 температуры измеряет температуру текучей среды, протекающей вокруг датчика 508 температуры. Расходомер 100 обрабатывает сигналы измерения температуры, выдаваемые датчиком 508 температуры, и выдает значение измерения температуры текучей среды. Значение измерения температуры текучей среды характеризует температуру текучей среды, протекающей на различной высоте, на которой датчик 508 температуры размещен в трубопроводе 502, и, следовательно, не может точно отражать температуру текучей среды, протекающей на другой высоте в пределах трубы 502 или расходомера 100.

[0048] В блоке 704 устройство 602 обработки данных расходомера 100 вызывает генерирование формирователями сигналов и/или приемниками 604 ультразвуковых преобразователей ультразвуковых сигналов, которыми обмениваются преобразователи каждой пары преобразователей (например, преобразователи 112 и 114). Расходомер 100 измеряет время передачи ультразвукового сигнала между преобразователями и вычисляет значение скорости звука для каждой пары преобразователей (то есть для каждой хордальной траектории), как показано в формуле (2).

[0049] В блоке 706 расходомер 100 вычисляет значение температуры текучей среды для каждой хордальной траектории. Расходомер 100 может считывать значение давления текучей среды с датчика давления 506 и считывать состав с датчика 504 смеси текучей среды, а также может применять эти значения давления и состава в сочетании со скоростью звука, измеренной для хордальной траектории, для вычисления температуры для каждой хордальной траектории. Некоторые варианты реализации расходомера 100 вычисляют хордальные температуры в соответствии с AGA 10, как описано выше.

[0050] В блоке 708 расходомер 100 вычисляет среднюю температуру текучей среды на основании вычисленных температур для хордальных траекторий. Аномальные значения хордальной скорости звука и/или температуры могут быть исключены из вычисления средней температуры.

[0051] В блоке 710 расходомер 100 вычисляет разность между температурой измеренной текучей среды и вычисленной средней температурой текучей среды. Если в блоке 712 разность превышает предварительно определенное максимальное значение разности, то затем температура измеренной текучей среды не может точно отражать температуру текучей среды, протекающей через расходомер 100, а расходомер 100 генерирует предупреждающий сигнал температуры в блоке 714. В ответ на предупреждающий сигнал температуры источник различия температур может быть исследован и уточнен.

[0052] На фиг. 8 показана блок-схема способа проверки правильности измерений температуры в ультразвуковом расходомере 100 в соответствии с различными вариантами реализации. Несмотря на то, что действия в целях удобства показаны последовательно, по меньшей мере некоторые из показанных действий могут быть выполнены в другом порядке и/или выполнены параллельно. Кроме того, некоторые варианты реализации могут выполнять только некоторые из показанных действий. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере некоторые из операций по фиг. 8, а также другие операции, описанные в настоящей заявке, могут быть реализованы в виде инструкций, сохраненных на машиночитаемой носителе 606 и выполняемых устройством 602 обработки данных.

[0053] В блоке 802 текучая среда протекает через центральный канал 104 расходомера 100. Датчик 508 температуры измеряет температуру текучей среды, протекающей вокруг этого датчика 508 температуры. Расходомер 100 обрабатывает сигналы измерения температуры, выданные датчиком 508 температуры, и выдает значение измерения температуры текучей среды. Значение измерения температуры текучей среды характеризует температуру текучей среды, протекающей на высоте, на которой датчик 508 температуры размещен в трубопроводе 502, и, следовательно, не может точно отражать температуру текучей среды, протекающей на другой высоте в пределах трубы 502 или расходомера 100.

[0054] В блоке 804 устройство 602 обработки данных расходомера 100 вызывает генерирование формирователями сигналов и/или приемниками 604 ультразвуковых преобразователей ультразвуковых сигналов, которыми обмениваются преобразователи каждой пары преобразователей (например, преобразователи 112 и 114). Расходомер 100 измеряет время передачи ультразвукового сигнала между преобразователями и вычисляет значение скорости звука для каждой пары преобразователей (то есть для каждой хордальной траектории), как показано в формуле (2).

[0055] В блоке 806 расходомер 100 сравнивает значения скорости звука, рассчитанные для каждой хордальной траектории. При сравнении значений скорости звука расходомер 100 определяет наличие температурного градиента в текучей среде, проходящей через расходомер 100 в блоке 808. Температурный градиент может быть идентифицирован посредством соответствующего градиента в вычисленных значениях скорости звука. Таким образом, если скорость звука, соответствующая хорде A, больше, чем скорость звука, соответствующая хорде B, которая больше, чем скорость звука, соответствующая хорде C, и т.д., то затем в текучей среде может быть идентифицирован температурный градиент.

[0056] В некоторых вариантах реализации расходомер 100 может вычислить значение температуры для каждой хорды на основании вычисленной скорости звука хорды, давления измеренной текучей среды и измеренной смеси текучей среды и может сравнить значения хордальной температуры для выявления температурного градиента.

[0057] В блоке 810 расходомер 100 оценивает идентифицированный градиент для определения того, является ли этот градиент характеристикой потенциально неточного измерения температуры датчиком 508 температуры. Например, если диапазон значений хордальной скорости звука или значений хордальной температуры превышает предварительно определенное максимальное значение, то затем расходомер 100 может считать результаты измерения температуры, выданные датчиком 508 температуры, как неточно отражающее температуру текучей среды, протекающей через расходомер 100. Если расходомер определяет, что результаты измерения температуры, выданные датчиком 508 температуры, могут неточно отражать температуру текучей среды, протекающей через расходомер 100, то затем расходомер 100 генерирует предупреждающий сигнал температуры в блоке 812. В ответ на предупреждающий сигнал температуры источник различия температур может быть исследован и уточнен.

[0058] Приведенное выше описание предназначено для иллюстрации принципов и различных вариантов реализации настоящего изобретения. Различные изменения и модификации будут очевидны специалисту в области техники после полного ознакомления с приведенным выше описанием. Предполагается, что приведенную далее формулу изобретения следует интерпретировать таким образом, что она охватывает все такие изменения и модификации.

Устройство и способы для проверки измерений температуры в ультразвуковом расходомере. В одном варианте реализации измерительная система для ультразвукового измерения расхода содержит канал для потока текучей среды, датчик температуры и ультразвуковой расходомер. Датчик температуры размещен для измерения температуры текучей среды, протекающей в канале. Ультразвуковой расходомер содержит множество пар ультразвуковых преобразователей и управляющие электронные устройства. Каждая пара преобразователей выполнена с возможностью формирования хордальной траектории сквозь канал между преобразователями. Управляющие электронные устройства соединены с ультразвуковыми преобразователями. Управляющие электронные устройства выполнены с возможностью измерения скорости звука между каждой парой преобразователей на основании ультразвуковых сигналов, проходящих между преобразователями пары. На основании измеренных скоростей определяют наличие градиента температуры, на основании которого определяют, точно ли измеренное значение температуры, выданное датчиком температуры, отражает температуру текучей среды, протекающей в канале. Технический результат - повышение точности определения расхода среды. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Измерительная система для ультразвукового измерения расхода, содержащая:
канал для потока текучей среды,
датчик температуры, размещенный для измерения температуры текучей среды, протекающей в канале,
ультразвуковой расходомер, содержащий:
множество пар ультразвуковых преобразователей, каждая из которых выполнена с возможностью формирования хордальной траектории сквозь канал между преобразователями, и
управляющие электронные устройства, соединенные с ультразвуковыми преобразователями и выполненные с возможностью:
измерения скорости звука между каждой парой преобразователей на основании ультразвуковых сигналов, проходящих между преобразователями этой пары, и
определения на основании измеренных скоростей звука наличия градиента через хордальные траектории в текучей среде, протекающей в канале, и определения на основании указанного градиента, точно ли измеренное значение температуры, выданное датчиком температуры, отражает температуру текучей среды, протекающей в канале.

2. Измерительная система для ультразвукового измерения расхода по п. 1, в которой управляющие электронные устройства выполнены с возможностью вычисления значения температуры для каждой хордальной траектории на основании измеренной скорости звука для хордальной траектории.

3. Измерительная система для ультразвукового измерения расхода по п. 2, в которой управляющие электронные устройства выполнены с возможностью:
сравнения вычисленного значения температуры для каждой хордальной траектории и
определения на основании сравненных значений температуры наличия температурного градиента и определения на основании указанного температурного градиента, выдает ли датчик температуры измеренное значение температуры, которое отражает температуру текучей среды, протекающей в канале.

4. Измерительная система для ультразвукового измерения расхода по п. 1, в которой управляющие электронные устройства выполнены с возможностью:
определения на основании указанного градиента, является ли потенциально неточным вычисленный объем текучей среды, протекающей в канале.

5. Измерительная система для ультразвукового измерения расхода по п. 2, в которой управляющие электронные устройства выполнены с возможностью выявления динамики увеличения температуры сквозь канал как характеристики того, что значение измеренной температуры неточно отражает температуру текучей среды, протекающей в канале.

6. Измерительная система для ультразвукового измерения расхода по п. 1, в которой управляющие электронные устройства выполнены с возможностью генерирования на основании измеренных скоростей звука предупреждающего сигнала как характеристики того, что значение измеренной температуры неточно отражает температуру текучей среды, протекающей в канале.

7. Измерительная система для ультразвукового измерения расхода по п. 1, в которой расходомер имеет по меньшей мере четыре хордальные траектории.

8. Измерительная система для ультразвукового измерения расхода по п. 1, в которой управляющие электронные устройства выполнены с возможностью:
сравнения измеренных скоростей звука между каждой парой преобразователей и
выявления динамики увеличения скорости звука сквозь канал как характеристики наличия градиента скорости звука и на основании указанного градиента скорости звука того, что значение измеренной температуры неточно отражает температуру текучей среды, протекающей в канале.

9. Способ проверки температуры текучей среды в потоке текучей среды, согласно которому:
измеряют скорость звука для каждой из множества хордальных траекторий ультразвукового расходомера на основании ультразвуковых сигналов, проходящих между парой преобразователей каждой хордальной траектории,
измеряют температуру текучей среды в потоке текучей среды на основании сигнала, выданного датчиком температуры, размещенным в потоке текучей среды,
выявляют на основании скорости звука, измеренной для каждой хордальной траектории, наличие градиента в потоке текучей среды через хордальные траектории и
определяют на основании указанного градиента, точно ли измеренная температура отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

10. Способ по п. 9, дополнительно включающий:
определение на основании указанного градиента, является ли потенциально неточным вычисленный объем потока текучей среды.

11. Способ по п. 9, дополнительно включающий:
вычисление значения температуры для каждой хордальной траектории на основании измеренной скорости звука для траектории и
сравнение вычисленных значений температуры для выявления температурного градиента в потоке текучей среды.

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий:
выявление динамики увеличения температуры через хордальные траектории как характеристики того, что значение измеренной температуры неточно отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

13. Способ по п. 9, дополнительно включающий:
сравнение измеренных скоростей звука для хордальных траекторий,
причем этап выявления включает определение на основании сравненных скоростей звука наличия градиента скорости звука через хордальные траектории и того, что измеренная температура неточно отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

14. Способ по п. 9, согласно которому этап выявления включает выявление динамики увеличения скорости звука через хордальные траектории как характеристики того, что значение измеренной температуры неточно отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

15. Способ по п. 9, дополнительно включающий генерирование предупреждающего сигнала как характеристики того, что значение измеренной температуры неточно отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

16. Ультразвуковой расходомер, содержащий:
множество пар ультразвуковых преобразователей, каждая из которых выполнена с возможностью формирования хордальной траектории сквозь канал для текучей среды между преобразователями, и
управляющие электронные устройства, соединенные с ультразвуковыми преобразователями и выполненные с возможностью:
измерения скорости звука для каждой хордальной траектории на основании ультразвуковых сигналов, проходящих между преобразователями хордальной траектории,
определения температуры текучей среды в потоке текучей среды, причем определенная температура основана на измерении датчиком температуры, размещенным в потоке текучей среды,
определения на основании скорости звука, измеренной для каждой хордальной траектории, наличия градиента в потоке текучей среды и определения на основании указанного градиента, точно ли определенная температура отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

17. Ультразвуковой расходомер по п. 16, в котором управляющие электронные устройства выполнены с возможностью:
определения на основании указанного градиента, является ли потенциально неточным вычисленный объем текучей среды в потоке текучей среды.

18. Ультразвуковой расходомер по п. 17, в котором управляющие электронные устройства выполнены с возможностью:
вычисления значения температуры для каждой хордальной траектории на основании измеренной скорости звука для хордальной траектории и
сравнения вычисленных значений температуры для определения наличия температурного градиента в потоке текучей среды.

19. Ультразвуковой расходомер по п. 16, в котором управляющие электронные устройства выполнены с возможностью:
вычисления значения температуры для каждой хордальной траектории на основании измеренной скорости звука для хордальной траектории и
выявления градиента в температуре через хордальные траектории как характеристики того, что определенная температура неточно отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

20. Ультразвуковой расходомер по п. 16, в котором управляющие электронные устройства выполнены с возможностью:
сравнения измеренных скоростей звука для хордальных траекторий и
определения на основании сравненных скоростей звука наличия градиента скорости звука через поток текучей среды и того, что определенная температура неточно отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

21. Ультразвуковой расходомер по п. 16, в котором управляющие электронные устройства выполнены с возможностью выявления градиента в скорости звука через хордальные траектории как характеристики того, что определенное значение температуры неточно отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.

22. Ультразвуковой расходомер по п. 16, в котором управляющие электронные устройства выполнены с возможностью генерирования предупреждающего сигнала как характеристики того, что определенное значение температуры неточно отражает температуру текучей среды в потоке текучей среды.