ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СРЕДЫ, ПРОТЕКАЮЩЕЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ТРУБОПРОВОДЕ
MEASURING SYSTEM FOR MEDIUM FLOWING IN PROCESS PIPELINE

Изобретение относится к измерительной системе для измерения плотности среды, являющейся изменяющейся в отношении термодинамического состояния, в частности, по меньшей мере, частично сжимаемой, протекающей в технологическом трубопроводе, таком как технологическая магистраль или труба, вдоль оси потока в измерительной системе. Измерительная система производит измерения посредством датчика температуры, датчика давления и измерительного электронного блока, поддерживающего в каждом случае связь, по меньшей мере временно, с датчиком температуры и датчиком давления, и выдающей, по меньшей мере временно, по меньшей мере одно измеренное значение плотности, представляющее настолько точно, насколько это возможно, локальную плотность этой текущей среды.
Для регистрации описывающих технологический процесс измеряемых переменных текущей среды, таких как переменная термодинамического состояния, плотность или выводимые из них измеряемые переменные, и для выдачи измеренных значений, соответствующим образом представляющих такие измеряемые переменные, в технологии измерений производственного процесса применяют измерительные системы, устанавливаемые вблизи от этого процесса. Это реализуется, в частности, также в связи с автоматизацией химических процессов или процессов, включающих в себя добавление материалам стоимости. Эти измерительные системы часто составлены из двух или больше отдельных измерительных устройств нижнего уровня, которые поддерживают связь друг с другом и каждое из которых расположено непосредственно на или в технологическом трубопроводе, через который протекает среда. Измеряемые переменные, подлежащие регистрации, могут включать в себя, помимо плотности, также, например, другие переменные термодинамического состояния, в частности, такие переменные, которые способны регистрироваться датчиком и, в результате, являются непосредственно измеряемыми, такие как, например, давление или температура, непосредственно или косвенным образом измеряемые параметры потока, такие как, например, скорость потока, объемный расход, например, удельный объемный расход, или массовый расход, например, удельный массовый расход, или другие сложные переменные переноса, такие как, например, тепловой поток, равно как также и другие измеряемые переменные, относящиеся к конкретной среде, такие как, например, вязкость, по меньшей мере, частично жидкой, порошкообразной, парообразной или газообразной среды, передаваемой в технологическом трубопроводе, реализованном, например, в форме магистральной трубы.
В частности, для косвенного (именуемого ниже как виртуальное) измерения плотности, основанного на сигналах измерения давления и температуры, генерируемых посредством соответствующих датчиков, равно как также измеряемых переменных, возможно выводимых из них, например, массового расхода или объемного расхода, было принято большое количество промышленных стандартов, которые рекомендуют в значительной степени стандартизированный, а следовательно, сопоставимый способ вычисления, в частности, также с применением непосредственно зарегистрированных и, следовательно, фактически измеренных температур и/или давлений, и которые находят свое применение как функцию области применения и среды. Примеры таких стандартов включают в себя, в порядке примера, промышленный стандарт "IAWPS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam" ("Формулировка 1997 года промышленного стандарта IAWPS по термодинамическим свойствам воды и пара") (IAWPS - IF97) ассоциации IAWPS (International Association for the Properties of Water and Steam - Международная ассоциация по термодинамическим свойствам воды и пара), "A.G.A. Manual for the Determination of Supercompressibility Factors for Natural Gas - PAR Research Project NX-19" ("Справочник A.G.A. (Американской газовой ассоциации) по определению коэффициентов сверхсжимаемости для природного газа - Научно-исследовательский проект PAR NX-19") Американской газовой ассоциации (AGA-NX19, библиотека Конгресса, номер 63-23358), международный стандарт ISO 12213: 2006 Международной организации по стандартизации, Раздел 1-3 "Natural gas - Calculation of compression factor" ("Природный газ - вычисление коэффициента сжатия"), равно как также и упоминающийся там документ "A.G.A. Compressibility Factors for Natural Gas and Other Related Hydrocarbon Gases", American Gas Association Transmission Measurement Committee Report No. 8 (AGA-8) ("Американская газовая ассоциация: Коэффициенты сжимаемости для природного газа и других связанных с ним углеводородных газов", отчет номер 8 комитета по транспортировке и измерениям Американской газовой ассоциации) и "High Accuracy Compressibility Factor Calculation for Natural Gases and Similar Mixtures by Use of a Truncated Viral Equation", GERG Technical Monograph TM2 1998 & Fortschritt-Berichte VDI (Progress Reports of the Association of German Engineers), Series 6, No. 231 1989 ("Высокоточное вычисление коэффициента сжимаемости для природных газов и аналогичных смесей при помощи усеченного "вирусного" уравнения", Техническая Монография ТМ 2, GERG, 1998 и Fortschritt-Berichte VDI (Промежуточные отчеты Ассоциации немецких инженеров), серия 6, номер 231 1989) (SGERG-88).
Часто определение плотности может также служить для преобразования непосредственно измеряемого массового расхода, в конечном счете, в косвенно или виртуально измеряемый объемный расход или наоборот. Для непосредственного измерения параметров потока, служащих для этого в качестве первично измеряемых переменных - соответственно, например, локальной скорости потока, локального объемного расхода или локального массового расхода, - измерительные системы рассматриваемого типа включают в себя, по меньшей мере, один соответствующий датчик расхода, который, реагируя, по меньшей мере, преимущественно на параметр потока, первично регистрируемый для этой текущей среды, или также на изменения этого параметра, подает во время работы, по меньшей мере, один измерительный сигнал, в частности, электрический измерительный сигнал, находящийся под соответствующим влиянием измеряемой, первично регистрируемой переменной и представляющий ее настолько точно, насколько это возможно. Этот, по меньшей мере, один датчик расхода может, в таком случае, быть реализован таким образом, чтобы контактировать со средой, по меньшей мере частично, например будучи погруженным в нее, или проводить измерения внешним образом, через стенку технологического трубопровода или мембрану или диафрагму. Обычно в таком случае датчик расхода создается посредством, чаще всего, очень сложного преобразователя расхода, который устанавливается надлежащим образом непосредственно в технологический трубопровод или в байпас, передающие среду.
Существующие на рынке преобразователи расхода обычно выполнены в виде предварительно откалиброванных модулей заводского изготовления, снабженных несущей трубкой, встраиваемой в соответствующий технологический трубопровод, и также, по меньшей мере, одним надлежащим образом предварительно собранным с ней элементом, преобразующим физический параметр в электрический сигнал. Этот преобразующий элемент, возможно в сочетании с самой несущей трубкой и/или другими компонентами преобразователя расхода, в частности пассивно вводимыми компонентами, такими как, например, препятствия на пути потока, выступающие в поток, и/или активными компонентами преобразователя расхода, такими как, например, соленоидное устройство, расположенное снаружи на поддерживающей трубке, для создания магнитного поля, или издающие звук элементы, образует, по меньшей мере, один датчик расхода, подающий измерительный сигнал. В технологии промышленных измерений широко распространены, в частности, магнитоиндуктивные преобразователи расхода, преобразователи расхода, оценивающие время пробега ультразвуковых волн, созданных в текущей среде, преобразователи вихревого потока, в частности, вихревые преобразователи расхода, преобразователи расхода с колеблющимися измерительными трубками, преобразователи расхода, использующие перепады давления, или тепловые измерительные преобразователи расхода. Принципы конструкции и функционирования магнитоиндуктивных преобразователей расхода описаны, например, в ЕР - А 1039269, US - A 6,031,740, US - A 5,540,103, US - A 5,351,554, US - A 4,563,904, в то время как эти принципы для ультразвуковых преобразователей расхода представлены, например, в US - В 6,397,683, US - В 6,330,831, US - В 6,293,156, US - В 6,189,389, US - A 5,531,124, US - A 5,463,905, US - A 5,131,279, US - A 4,787,252. Поскольку также и другие из вышеупомянутых принципов измерения, обычно осуществляемых на практике в промышленных измерительных преобразователях расхода, аналогичным образом в достаточной мере известны специалистам в данной области техники, то дальнейшее объяснение этих и других принципов измерения, принятых в технологии промышленных измерений и осуществляемых посредством измерительных преобразователей расхода, могут быть здесь опущены.
Промышленные измерительные системы, регистрирующие параметры потока, часто включают в себя системы, в случае которых, по меньшей мере, одна из точек измерения, подающих сигналы фактического измерения и, следовательно, именуемых ниже реальными, образована посредством компактного встроенного в трубопровод измерительного устройства, имеющего преобразователь расхода вышеупомянутого вида. Другие примеры таких измерительных систем, в частности измерительных систем, образованных посредством компактных, встроенных в трубопровод измерительных устройств с преобразователями расхода, известными по своей сути специалистам в данной области техники, кроме того, подробно представлены, помимо прочего, в ЕР - А 605944, ЕР - А 984248, ЕР - А 1767908, GB - А 2142725, US - A 4,308,754, US - A 4,420,983, US - A 4,468,971, US - A 4,524,610, US - A 4,716,770, US - A 4,768,384, US - A 5,052,229, US - A 5,052,230, US - A 5,131,279, US - A 5,231,884, US - A 5,359,881, US - A 5,458,005, US - A 5,469,748, US - A 5,687,100, US - A 5,796,011, US - A 5,808,209, US - A 6,003,384, US - A 6,053,054, US - A 6,006,609, US - В 6,352,000, US - В 6,397,683, US - В 6,513,393, US - В 6,644,132, US - В 6,651,513, US - В 6,651,512, US - В 6,880,410, US - В 6,910,387, US - В 6,938,496, US - В 6,988,418, US - В 7,007,556, US - В 7,010,366, US - A 2002/0096208, US - A 2004/0255695, US - A 2005/0092101, US - A 2006/0266127, WO - A 88/02476, WO - A 88/02853, WO - A 95/08758, WO - A 95/16897, WO - A 97/25595, WO - A 97/46851, WO - A 98/43051, WO - A 00/36379, WO - A 00/14485, WO - A 01/02816, WO - А 02/086426, WO - A 04/023081 или WO - А 04/081500, WO - А 05/095902, равно как также в не публиковавшихся ранее заявках DE 102006034296.8 и 102006047815.0 правообладателя по данному изобретению.
Для дальнейшей обработки или оценки измерительных сигналов, выданных в измерительных системах, такие системы дополнительно содержат, по меньшей мере, один соответствующий измерительный электронный блок. Измерительный электронный блок, поддерживающий соответствующим образом связь с подходящим измерительным преобразователем, в частности, также с, по меньшей мере, одним преобразующим элементом, выдает во время работы с применением, по меньшей мере, одного измерительного сигнала периодически, по меньшей мере, одно измеренное значение, являющееся мгновенным представлением измеряемой переменной, соответственно, например, измеренное значение массового расхода, измеренное значение объемного расхода, измеренное значение плотности, измеренное значение вязкости, измеренное значение давления, измеренное значение температуры или тому подобное. Измеренные значения, в частности косвенно или также виртуально измеряемое измеренное значение плотности, часто в таком случае определяются посредством высокосложных вычислений в соответствии с одним из упомянутых промышленных стандартов, например "AGA 4", "AGA 8", "AGA-NX19, "IAWPS-IF97", "SGERG-88" или им подобных.
Для размещения измерительного электронного блока такие измерительные системы наиболее часто включают в себя соответствующий корпус электронного блока, который, как предложено, например, в US - А 6,397,683 или WO - А 00/36379, может быть расположен на расстоянии от измерительного преобразователя и соединен с ним посредством гибкого кабеля. Однако в качестве альтернативы этому или в дополнение к этому корпус электронного блока может также, как это показано, например, в ЕР - А 903651 или ЕР - А 1008836, быть расположен непосредственно на измерительном преобразователе или на корпусе измерительного преобразователя, отдельно размещающем в себе измерительный преобразователь, таким образом, чтобы образовывать компактное встроенное в трубопровод измерительное устройство, например кориолисово устройство измерения массового расхода/плотности, ультразвуковое устройство измерения расхода, вихревое устройство измерения расхода, тепловое устройство измерения расхода, магнитоиндуктивное устройство измерения расхода или подобные им устройства. В случае, когда корпус электронного блока располагается на корпусе измерительного преобразователя, корпус электронного блока, как это показано, например, в ЕР - А 984248, US - А 4,716,770 или US - А 6,352,000, часто также служит для размещения внутри него некоторых механических компонентов измерительного преобразователя, таких как, например, элементы, деформирующиеся при работе на основе механических воздействий, такие элементы, как мембранные, стержневые, втулочные или трубчатые деформирующиеся или вибрирующие элементы; в этой связи сравните также US - В 6,352,000, упомянутый выше.
В случае измерительных систем описанного вида измерительный электронный блок обычно имеет электрическое соединение через электрические провода или беспроводным способом по радио с описанной электронной системой обработки данных, наиболее часто расположенной на пространственном удалении и также являющейся пространственно распределенной по отношению к измерительному электронному блоку. Этой системе обработки данных направляются в кратчайшее время измеренные значения, выданные измерительной системой. Измеренные значения направляются посредством сигналов измеренного значения, несущих измеренные значения. Измерительные системы описанного вида, кроме того, обычно соединены посредством сети передачи данных (основанной на проводной и/или радио-связи), предусмотренной в рамках описанной системы обработки данных, между собой и/или с соответствующими электронными блоками управления технологическим процессом, например, с программируемыми логическими контроллерами (PLC-контроллерами), установленными локально, или компьютерами для управления технологическим процессом, установленными в помещении для дистанционного управления, куда пересылаются измеренные значения, выданные посредством измерительной системы и надлежащим образом представленные в цифровой форме и соответствующим образом закодированные. Посредством компьютеров для управления технологическим процессом переданные измеренные значения можно с применением соответствующим образом установленных компонентов программного обеспечения дополнительно обрабатывать и визуализировать как соответствующие результаты измерения, например, на мониторах и/или преобразовывать в управляющие сигналы для других устройств нижнего уровня, таких как, например, управляемые магнитным способом клапаны, электродвигатели и т.д., реализованные в качестве исполнительных механизмов для управления технологическим процессом. Соответственно, система обработки данных также обычно служит для преобразования сигнала измеренного значения, подаваемого из измерительного электронного блока, в соответствии с требованиями расположенных ниже (по потоку передачи данных) сетей передачи данных, например, соответствующим образом представляя такой сигнал в цифровой форме, и, при необходимости, преобразуя его в соответствующую телеграмму и/или оценивая его на месте. Для таких целей в этих системах обработки данных предусматриваются имеющие электрические соединения с соответствующими соединительными линиями оценивающие схемы, которые осуществляют предварительную или последующую обработку, и, если это необходимо, соответствующим образом преобразуют измеренные значения, принятые от измерительного электронного блока. Для передачи данных в таких промышленных системах обработки данных служат, по меньшей мере на отдельных участках, в частности, последовательные, полевые шины, такие как, например, FOUNDATION FIELDBUS, CAN (шина локальной сети контроллеров), CAN-OPEN (открытая шина локальной сети контроллеров), RACKBUS-RS 485, PROFIBUS и т.д., или, например, также сети, основанные на стандарте ETHERNET, так же, как и соответствующие стандартизованные протоколы передачи данных, которые чаще всего независимы от варианта применения.
Обычно посредством управляющих компьютеров можно, помимо такой визуализации, контроля и управления технологическим процессом, также осуществлять дистанционное обслуживание, задание параметров и/или контроль подсоединенной измерительной системы. Соответственно, измерительный электронный блок современных измерительных устройств нижнего уровня позволяет, помимо передачи фактических измеренных значений, также передавать различные параметры настройки и/или рабочие параметры, используемые в измерительной системе, такие как, например, калибровочные данные, диапазоны измеряемых значений и/или также диагностические значения, определяемые внутренним образом в устройствах нижнего уровня. В поддержку этого рабочие данные, предназначенные для измерительной системы, можно чаще всего аналогичным образом посылать через вышеупомянутые сети передачи данных, которые чаще всего являются гибридными в том, что касается физики передачи данных и/или логики передачи данных.
Помимо оценивающих схем, требующихся для обработки и преобразования измеренных значений, подаваемых от присоединенного измерительного электронного блока системы обработки данных описанного вида, чаще всего включают в себя также схемы электропитания, служащие для снабжения присоединенного измерительного электронного блока а, в результате также и соответствующей измерительной системы электрической энергией или мощностью. Схемы электропитания обеспечивают электронный блок соответствующего измерительного устройства надлежащим напряжением электропитания, которое при необходимости подается непосредственно по подсоединенной полевой шине и запитывает линии электроснабжения, соединенные с электронным блоком измерительного устройства, так же как и протекающими в ней электрическими токами. Схема электропитания в таком случае может, например, быть предназначена полностью одному измерительному электронному блоку и размещаться вместе с оценивающей схемой, связанной с конкретным измерительным устройством, будучи, например, подсоединенной таким образом, чтобы образовывать соответствующий адаптер полевой шины, в корпусе, общем для них обеих, реализованном, например, в виде модуля таврового профиля. Однако нет также ничего необычного и в том, чтобы разместить такие оценивающие схемы и схемы электропитания в каждом случае в отдельных корпусах, если необходимо, то на пространственном удалении друг от друга, и надлежащим образом соединить их проводами друг с другом посредством внешних кабелей.
В случае промышленных измерительных систем, относящихся к рассматриваемому здесь типу, часто, в результате, речь идет о пространственно распределенных измерительных системах, при этом в каждом случае множество измеряемых переменных одинакового и/или различного типа локально регистрируются датчиками в реальных, отделенных друг от друга местах измерения, расположенных вдоль оси потока в измерительной системе, определенной технологическим трубопроводом. Эти измеряемые переменные подаются в общий измерительный электронный блок в виде соответствующих электрических измерительных сигналов по проводам, например, также так называемым способом HART - MULTIDROP, или также так называемым способом пакетно-монопольного режима, и/или беспроводным способом, в частности, по радио, и/или оптическим способом, при необходимости также закодированными в цифровой сигнал или в передаваемой в цифровой форме телеграмме. Для описанного выше случая, в котором такая измерительная система образована посредством преобразователя расхода, имеется, следовательно, возможность, например, в дополнение к этому, по меньшей мере одному, практически непосредственно регистрируемому параметру потока, служащему в качестве первичной измеряемой переменной, например объемному расходу, определять, по меньшей мере косвенным образом, и, в результате, измерять посредством того же самого измерительного электронного блока, по меньшей мере виртуально, с применением также других дистанционно регистрируемых измеряемых переменных, например дистанционно регистрируемой локальной температуры или дистанционно регистрируемого локального давления в среде, также и выводимые из них вторичные измеряемые переменные, такие как, например, массовый расход и/или плотность.
Экспериментальные исследования распределенных измерительных систем, относящихся к рассматриваемому типу, которые, как показано, например, также в US - В 6,651,512, определяют посредством непосредственно измеренного объемного расхода и виртуально измеренной плотности массовый расход как косвенно измеряемую переменную, показали, что, в частности, также, несмотря на то что применение как определяемых внутренним, так и наружным образом измеряемых переменных оказалось очень точным в диапазонах измерений, обычных для соответствующего внутреннего диаметра технологического трубопровода, могут возникать значительные погрешности в результате измерения, виртуального в вышеупомянутом смысле. Эти погрешности вполне могут лежать в диапазоне, составляющем в основном 5% от фактически измеряемой переменной, или даже за его пределами. В частности, при определении измеряемых переменных, таких как, например, объемный расход, температура или давление, в качестве промежуточных, реально измеряемых переменных, и/или плотности в качестве промежуточной переменной, измеряемой виртуально в соответствии со способами измерения и вычисления, рекомендованными в вышеупомянутых промышленных стандартах.
Кроме того, сравнительные исследования в таком случае дополнительно показали, что вышеупомянутые погрешности измерения могут демонстрировать, помимо прочего, определенную зависимость от мгновенного значения числа Рейнольдса для потока, равно как также от мгновенного термодинамического состояния среды. Однако в этой связи также было обнаружено, что в многочисленных вариантах промышленного применения, особенно тех из них, что касаются сжимаемых и/или, по меньшей мере, двухфазных сред, число Рейнольдса или термодинамическое состояние среды могут сильно изменяться не только хронологически, но также и в пространственном отношении, особенно в направлении оси потока в измерительной системе. Помимо вариантов выполнения, имеющих по меньшей мере частично сжимаемые среды, в дополнение к этому варианты выполнения, в частности, также демонстрируют значительную поперечную чувствительность к пространственным изменениям числа Рейнольдса или термодинамического состояния в случае, когда измерение, по меньшей мере, одной из измеряемых переменных происходит в месте измерения (реальной или виртуальной), в которой технологический трубопровод имеет внутренний диаметр, меняющийся, по меньшей мере, от одной из точек измерения (реальных или виртуальных) к другой. Это, например, имеет место при применении формирователей потока, уменьшающих поперечное сечение трубопровода (таким образом, как это бывает в случае, например, сопел, служащих в качестве так называемых редукционных элементов), которые могут найти применение во впускной области измерительных преобразователей расхода, или также при применении формирователей потока, увеличивающих поперечное сечение трубопровода (так называемых диффузоров) в выпускной области измерительных преобразователей расхода. Измерительные системы с такими редукционными элементами и/или диффузорами описаны, например, в GB - А 2142725, US - A 5,808,209, US - A 2005/0092101, US - В 6,880,410, US - В 6,644,132, US - A 6,053,054, US - В 6,644,132, US - A 5,052,229 или US - В 6,513,393 и используются, например, для улучшения точности измерения измерительных преобразователей расхода. В таком случае было, кроме того, установлено, что такие поперечные чувствительности, вызванные применением редукционных элементов и/или диффузоров, значительны для отношений внутренних диаметров между, в основном, 0,6 и 0,7, в то время как их влияние для отношений внутренних диаметров с предельными перепадами диаметров, составляющими менее чем 0,2, весьма незначительно.
Другой областью применения, имеющей значительную чувствительность к вышеупомянутым изменениям в том, что касается их воздействия на требуемую точность измерения, кроме того, являются те измерительные системы, которые предусматриваются для измерения расхода тяжелых газов, таких как, возможно, двуокись углерода или также фосген или углеродистые составы с длинными цепочками, имеющие молекулярный вес, составляющий более чем 30 г/моль.
Вышеописанное пространственное изменение числа Рейнольдса может, в свою очередь, привести к тому факту, что практически каждая из вышеупомянутых, находящихся на расстоянии друг от друга реальных точек измерения распределенной измерительной системы имеет во время работы локальное значение числа Рейнольдса, в значительной степени отклоняющееся от локального значения числа Рейнольдса каждой из других также используемых точек измерения. Равным образом, также упомянутое изменение термодинамического состояния привело бы к тому факту, что находящиеся на расстоянии друг от друга места измерения распределенной измерительной системы могут иметь термодинамические состояния, отличающиеся друг от друга. Ввиду этого, следовательно, каждая из измеряемых переменных, которые измеряются на распределенной базе, должна была бы быть скорректирована в соответствии с конкретным соответствующим локальным значением числа Рейнольдса и/или конкретным соответствующим локальным термодинамическим состоянием - задача, которая в отсутствии требующейся для этого информации, а именно, в каждом случае других, но дистанционно измеряемых переменных состояния, напрямую невыполнима. Если бы, например, плотность и/или массовый расход, рассчитываемые на основе измеренных переменных состояния - давления и температуры, были рассчитаны без учета изменения числа Рейнольдса или термодинамического состояния, то результатом была бы дополнительная погрешность измерения, имеющая, по существу, квадратичную зависимость от скорости потока. Соответственно, для вышеупомянутой конфигурации при скоростях потока, меньших чем 10 м/с, требующаяся на настоящий момент точность измерения, составляющая в основном от 0,1% до 0,5%, практически более не является значительной.
Исходя из вышеописанных недостатков измерительных систем описанного вида, особенно тех, которые определяют массовый расход или объемный расход, задача данного изобретения заключается в том, чтобы увеличить точность измерения для таких вторичных измеряемых переменных, определяемых с применением пространственно-распределенно регистрируемых переменных термодинамического состояния, таких как давление и/или температура.
Для решения этой задачи создана измерительная система для измерения плотности среды, которая является изменяющейся в части термодинамического состояния, в частности, по меньшей мере, частично сжимаемой, протекающей в технологическом трубопроводе вдоль оси потока в измерительной системе. Для этого измерительная система содержит, по меньшей мере, один датчик температуры, размещенный в месте измерения температуры, реагирующий, главным образом, на локальную температуру (ϑ) протекающей среды и подающий, по меньшей мере, один сигнал измерения температуры, находящийся под влиянием локальной температуры среды, подлежащей измерению; по меньшей мере, один датчик давления, размещенный в месте измерения давления, реагирующий, главным образом, на локальное давление (p), в частности статическое давление, протекающей среды и подающий, по меньшей мере, один сигнал измерения давления, находящийся под влиянием локального давления (p) в среде, подлежащей измерению; по меньшей мере, один датчик расхода, размещенный в месте измерения расхода, реагирующий, главным образом, на локальный параметр потока, в частности, скорость потока, объемный расход или массовый расход среды, подлежащей измерению, в частности, также на их изменения, в частности, на параметр потока, усредненный по поперечному сечению технологического трубопровода, и подающий, по меньшей мере, один сигнал измерения расхода, находящийся под влиянием этого локального параметра потока; и измерительный электронный блок, поддерживающий в каждом случае связь, по меньшей мере временно, по меньшей мере, с датчиком температуры, датчиком давления и датчиком расхода и выдающий, по меньшей мере временно, с применением обоих сигналов: сигнала измерения температуры и также сигнала измерения давления, и также сигнала измерения расхода, по меньшей мере, одно измеренное значение плотности, в частности, цифровое измеренное значение плотности, представляющее в виде мгновенного значения локальную плотность (ρ) текущей среды в виртуальном месте измерения плотности, в частности в локально зафиксированной виртуальной точке измерения плотности, расположенной на заранее заданном расстоянии, вдоль оси потока, от места измерения давления и/или места измерения температуры.
В первом варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок поддерживает связь, по меньшей мере временно, с датчиком расхода и при этом измерительный электронный блок, применяя, по меньшей мере, сигнал измерения расхода, определяет измеренное значение объемного расхода, в частности, цифровое измеренное значение объемного расхода, представляющее в виде мгновенного значения удельный объемный расход текущей среды. В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения измерительный электронный блок определяет с применением, по меньшей мере, измеренного значения плотности и измеренного значения объемного расхода измеренное значение массового расхода, в частности цифровое измеренное значение массового расхода, представляющее, в виде мгновенного значения, удельный массовый расход текущей среды.
Во втором предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок периодически генерирует измеренное значение температуры, в частности цифровое измеренное значение температуры, основываясь на сигнале измерения температуры, и при этом измеренное значение температуры представляет, в виде мгновенного значения, температуру среды в месте измерения температуры.
В третьем предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок периодически генерирует измеренное значение давления, в частности, цифровое измеренное значение давления, основываясь на сигнале измерения давления, и при этом измеренное значение давления представляет давление, мгновенно преобладающее в среде, в частности, в месте измерения давления.
В четвертом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что среда имеет виртуальное место измерения плотности - термодинамическое состояние, соответствующее термодинамическому состоянию среды в месте измерения скорости.
В пятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что виртуальное место измерения плотности и место измерения расхода, по меньшей мере частично, перекрывают друг друга, в частности, они являются совпадающими.
В шестом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что место измерения температуры и место измерения расхода, по меньшей мере частично, перекрывают друг друга, в частности, они являются совпадающими.
В седьмом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что место измерения давления и место измерения расхода, по меньшей мере частично, перекрывают друг друга.
В восьмом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измеренное значение плотности представляет локальную плотность среды в области датчика расхода.
В девятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок поддерживает, по меньшей мере временно, связь с датчиком расхода, при этом измерительный электронный блок определяет, посредством, по меньшей мере, сигнала измерения расхода, измеренное значение скорости, в частности цифровое измеренное значение расхода, которое представляет в виде мгновенного значения скорость потока текущей среды.
В десятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок, основываясь на сигнале измерения давления, равно как и на сигнале измерения температуры, определяет предварительное измеренное значение плотности, в частности, в соответствии с одним из промышленных стандартов AGA 8, AGA NX-19, SGERG-88, IAWPS-IF97, ISO 12213:2006, представляющее плотность, которую текущая среда только предположительно имеет в виртуальном месте измерения плотности.
p
В одиннадцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок содержит память данных, в частности энергонезависимую память данных, которая хранит, по меньшей мере временно, по меньшей мере один параметр измерительной системы, определяющий исключительно среду, подлежащую измерению в текущий момент времени, в частности, такой параметр системы, как удельная теплоемкость (c) среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, молярную массу (n) среды и/или число (f) степеней колебательной свободы атомов или молекул среды, которое определено молекулярным строением среды.
В двенадцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок определяет измеренное значение плотности, применяя этот, по меньшей мере, один параметр измерительной системы, определяющий исключительно среду, подлежащую измерению в текущий момент времени.
В тринадцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок содержит память данных, в частности, энергонезависимую память данных, которая хранит, по меньшей мере временно, по меньшей мере один параметр измерительной системы, определяющий как среду, подлежащую измерению посредством измерительной системы, так и мгновенные обстоятельства установки измерительной системы, при этом обстоятельства установки заданы расположением (по отношению друг к другу) мест измерения давления, температуры и плотности, так же как, в каждом случае, формой и размером технологического трубопровода в областях мест измерения давления, плотности и/или температуры. В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения измерительный электронный блок определяет измеренное значение плотности, применяя этот, по меньшей мере, один параметр измерительной системы, определяющий как среду, подлежащую измерению в текущий момент времени посредством измерительной системы, так и мгновенные обстоятельства установки измерительной системы.
В четырнадцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный блок содержит память данных, в частности, энергонезависимую память данных, которая хранит, по меньшей мере временно, по меньшей мере, один параметр измерительной системы, относящийся к первому виду, определяющий среду, подлежащую измерению в текущий момент времени, в частности, удельную теплоемкость среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, молярную массу среды и/или число степеней свободы среды, и которая хранит, по меньшей мере, временно, по меньшей мере, один параметр измерительной системы, относящийся ко второму виду, определяющий как среду, подлежащую измерению в текущий момент времени, так и мгновенные обстоятельства установки измерительной системы, при этом обстоятельства установки заданы расположением (по отношению друг к другу) мест измерения давления, температуры и плотности, так же как, в каждом случае, формой и размером технологического трубопровода в областях мест измерения давления, температуры и плотности, и при этом измерительный электронный блок определяет измеренное значение плотности, применяя, по меньшей мере, параметр измерительной системы, относящийся к первому виду, и параметр измерительной системы, относящийся ко второму виду.
p
p
В пятнадцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок принимает, по меньшей мере временно, численные значения параметра, в частности, численные значения параметра, определенные внешним по отношению к измерительной системе образом и/или недавно по времени, для, по меньшей мере, одного параметра измерительной системы, определяющего среду, подлежащую измерению, и/или мгновенные обстоятельства установки измерительной системы, в частности теплоемкость (c) для среды, подлежащей измерению, которая представляет удельную теплоемкость (c), определенную ранее и/или измеренную на удалении от точки измерения плотности для среды, подлежащей измерению.
p
В шестнадцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок поддерживает связь, в частности, через полевую шину, по меньшей мере временно, в частности, по проводам и/или по радио с электронной системой обработки данных. В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения дополнительно предусматривается, что измерительный электронный блок передает измеренное значение плотности системе обработки данных, и/или при этом измерительный электронный блок принимает от системы обработки данных, по меньшей мере временно, параметры измерительной системы, определяющие численные значения параметров для среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, в частности ее термодинамические свойства и/или ее химический состав, в частности удельную теплоемкость (c) среды, подлежащей измерению в текущей момент времени, молярную массу (n) среды, подлежащей измерению в текущей момент времени, и/или число (f) степеней колебательной свободы атомов или молекул среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, и/или измерительный электронный блок соединен с электронной системой обработки данных посредством полевой шины, в частности последовательной полевой шины.
p
В семнадцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок определяет, во время работы, по меньшей мере временно, удельную теплоемкость (c) среды, подлежащей измерению в текущей момент времени, в частности, на основе формулы:
,
в которой n представляет собой молярную массу, R - абсолютная газовая постоянная, причем R=8,3143 Дж/(К моль) и f - число (определенное молекулярным строением среды) степеней колебательной свободы ее атомов или молекул.
В восемнадцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок периодически генерирует измеренное значение температуры, в частности цифровое измеренное значение температуры, основываясь на сигнале измерения температуры, и при этом измеренное значение температуры представляет, в виде мгновенного значения, температуру среды в месте измерения температуры.
В девятнадцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок периодически генерирует измеренное значение давления, в частности цифровое измеренное значение давления, основываясь на сигнале измерения давления, и при этом измеренное значение давления представляет в виде мгновенного значения давление среды, преобладающее в среде, в частности в месте измерения давления.
В двадцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок поддерживает связь с датчиком расхода посредством полевой шины, в частности последовательной полевой шины, и/или беспроводным способом по радио.
В двадцать первом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок выдает измеренное значение плотности также с применением, по меньшей мере, одного численного поправочного коэффициента, в частности поправочного коэффициента, хранящегося в цифровой форме, который соответствует локальной изменчивости, имеющей место вдоль оси потока в измерительной системе, в частности локальной изменчивости (определяемой заранее или во время работы) по меньшей мере одной переменной термодинамического состояния среды, в частности температуры, давления или плотности, и/или соответствует локальной изменчивости, имеющей место вдоль оси потока в измерительной системе, в частности локальной изменчивости (определяемой заранее или во время работы) числа Рейнольдса текущей среды.
p
В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения дополнительно предусматривается, что этот, по меньшей мере, один поправочный коэффициент определяется с учетом среды, фактически подлежащей измерению, в частности, ее состава и/или ее термодинамических свойств, в частности, во время калибровки измерительной системы при помощи известной эталонной среды и/или во время пуска измерительной системы в месте ее эксплуатации; и/или измерительный электронный блок определяет поправочный коэффициент, по меньшей мере, однажды во время пуска измерительной системы; и/или измерительный электронный блок определяет поправочный коэффициент периодически во время работы измерительной системы, в частности, в связи с изменением, по меньшей мере, одного химического свойства среды, подлежащей измерению, или в связи с заменой этой среды другой средой; и/или измерительный электронный блок определяет этот, по меньшей мере, один поправочный коэффициент на основе заранее заданной удельной теплоемкости (c) среды, имеющейся на текущий момент времени, в частности теплоемкости, определяемой в диалоге с пользователем и/или внешним по отношению к измерительной электронной аппаратуре образом; и/или измерительный электронный блок содержит память данных, хранящую этот, по меньшей мере, один поправочный коэффициент, в частности память данных, реализованную как табличная память и/или энергонезависимая память; и/или память данных хранит множество поправочных коэффициентов, определяемых заранее для различных сред и/или для различных обстоятельств установки; и/или измерительный электронный блок выбирает этот, по меньшей мере, один поправочный коэффициент, учитывая имеющуюся на текущий момент времени среду, так же как и имеющиеся на текущий момент времени обстоятельства установки, из множества поправочных коэффициентов, хранящихся в памяти данных.
В двадцать втором предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок выдает измеренное значение плотности, применяя, по меньшей мере, одно значение коррекции плотности, определяемое во время работы, зависящее как от скорости потока среды, так также и от локальной температуры, преобладающей в месте измерения температуры, при этом значение коррекции соответствует мгновенной локальной изменяемости, по меньшей мере, одной переменной термодинамического состояния среды, в частности, притом, что такая мгновенная локальная изменяемость относится к среде, подлежащей измерению в текущий момент времени, так же как и к мгновенным обстоятельствам установки, и/или притом, что такая мгновенная локальная изменяемость имеет место вдоль оси потока в измерительной системе, и/или при этом значение коррекции соответствует мгновенной локальной изменяемости числа Рейнольдса текущей среды, в частности, притом, что локальная изменяемость числа Рейнольдса относится к среде и/или типу конструкции измерительной системы, или притом, что мгновенная изменяемость числа Рейнольдса имеет место вдоль оси потока в измерительной системе.
В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения, дополнительно предусматривается, что измерительный электронный блок определяет, во время работы, измеренное значение скорости, в частности цифровое измеренное значение скорости, представляющее в виде мгновенного значения скорость потока текущей среды, и измерительный электронный блок определяет, с применением измеренного значения скорости, так же как и измеренного значения температуры, значение коррекции плотности; и/или измерительный электронный блок во время работы периодически сравнивает значение коррекции плотности с, по меньшей мере, одним заранее заданным эталонным значением; и/или измерительный электронный блок, основываясь на сравнении значения коррекции плотности и эталонного значения, количественно сигнализирует о мгновенном отклонении значения коррекции плотности от эталонного значения и/или генерирует сигнал тревоги, который сигнализирует о нежелательном, в частности недопустимо высоком, расхождении между значением коррекции плотности и соответствующим эталонным значением.
В двадцать третьем предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок, основываясь на сигнале измерения давления, так же как и на сигнале измерения температуры, определяет предварительное измеренное значение плотности, в частности, в соответствии с одним из промышленных стандартов AGA 8, AGA NX-19, SGERG-88, IAWPS-IF97, ISO 12213:2006, представляющее плотность, которую текущая среда только предположительно имеет в виртуальной точке измерения плотности.
В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения дополнительно предусматривается, что измерительный электронный блок периодически определяет во время работы погрешность плотности, соответствующую отклонению, в частности относительному отклонению предварительного измеренного значения плотности от измеренного значения плотности, и, в частности, выдает такую погрешность также в форме численного, измеренного значения плотности; и/или измерительный электронный блок выдает мгновенную погрешность плотности, соответствующую отклонению, в частности относительному отклонению предварительного измеренного значения плотности от измеренного значения плотности, в форме численного значения погрешности плотности и/или сравнивает мгновенную погрешность плотности с, по меньшей мере, одним заранее заданным эталонным значением и, основываясь на этом сравнении, генерирует, временно, сигнал тревоги, сигнализирующий о нежелательном, в частности недопустимо высоком, расхождении между предварительным измеренным значением плотности и измеренным значением плотности.
В двадцать четвертом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что этот, по меньшей мере, один датчик расхода образован посредством, по меньшей мере, одного пьезоэлектрического элемента и/или посредством, по меньшей мере, одного пьезорезистивного элемента.
В двадцать пятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что этот, по меньшей мере, один датчик расхода образован посредством, по меньшей мере, одного элемента - электрического сопротивления, в частности элемента - сопротивления, через который, по меньшей мере временно, протекает нагревающий электрический ток.
В двадцать шестом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что этот, по меньшей мере, один датчик расхода образован посредством, по меньшей мере, одного измерительного электрода, измеряющего электрические потенциалы, в частности измерительного электрода, контактирующего с текущей средой.
В двадцать седьмом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что этот, по меньшей мере, один датчик расхода образован посредством, по меньшей мере, одного измерительного конденсатора, реагирующего на изменения параметра потока.
В двадцать восьмом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что этот, по меньшей мере, один датчик расхода периодически подвергается во время работы механическим деформациям, основанным на действии среды, протекающей в измерительной системе.
В двадцать девятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что этот, по меньшей мере, один датчик расхода периодически перемещается во время работы относительно положения статического равновесия на основе действия среды, протекающей в измерительной трубке.
В тридцатом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что этот, по меньшей мере, один датчик расхода образован посредством, по меньшей мере, одной измерительной трубки, размещенной в трассе технологического трубопровода и вибрирующей, по меньшей мере временно, во время работы, так же как и, по меньшей мере, одного датчика колебаний, регистрирующего электродинамическим или оптоэлектронным способом вибрации измерительной трубки.
В тридцать первом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что этот, по меньшей мере, один датчик расхода образован посредством, по меньшей мере, одного препятствия на пути потока, в частности дисковой диафрагмы или сопла, сужающего поперечное сечение технологического трубопровода, так же как и посредством, по меньшей мере, одного датчика перепадов давления, который может быть образован частично посредством датчика давления, размещенного в месте измерения давления, и регистрирует перепад давления, возникающий на этом препятствии на пути потока, и который подает сигнал измерения перепада давления, представляющий такой перепад давления.
В тридцать втором предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительная система содержит, по меньшей мере, одно тело необтекаемой формы, выступающее в просвет технологического трубопровода и погруженное в среду; и/или что этот, по меньшей мере, один датчик расхода, в частности датчик расхода, выступающий, по меньшей мере частично, в просвет технологического трубопровода, расположен ниже по течению от, по меньшей мере, одного тела необтекаемой формы, погруженного в среду и выступающего в просвет технологического трубопровода.
В тридцать третьем предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок поддерживает связь с датчиком температуры посредством полевой шины, в частности последовательной полевой шины, и/или беспроводным способом по радио.
В тридцать четвертом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок поддерживает связь с датчиком давления посредством полевой шины, в частности последовательной полевой шины, и/или беспроводным способом по радио.
В тридцать пятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что среда в месте измерения плотности находится в термодинамическом состоянии, отличающемся, по меньшей мере временно, в значительной степени, в частности в степени, значительной для требующейся точности для точности измерения измерительной системы, в том, что касается, по меньшей мере, одной локальной переменной термодинамического состояния, в частности температуры, и/или давления, и/или плотности, от термодинамического состояния среды в месте измерения температуры и/или термодинамического состояния среды в месте измерения давления.
В тридцать шестом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что текущая среда имеет число Рейнольдса, большее чем 1000.
-6
-1
-11
-1
В тридцать седьмом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что среда является сжимаемой, имея, в частности, сжимаемость K=-1/V·dV/dp, которая больше чем 10 бар (10 Па), и/или является, по меньшей мере, частично газообразной. Среда, в таком случае, может представлять собой газ, наполненный твердыми частицами и/или капельками жидкости.
В тридцать восьмом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что среда имеет две или более фазы. Одна фаза среды может, в таком случае, представлять собой жидкость, и/или среда может представлять собой жидкость, содержащую газ и/или твердые частицы.
В тридцать девятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительная система дополнительно содержит элемент отображения, поддерживающий, по меньшей мере, временно, связь с измерительным электронным блоком, для визуальной индикации, по меньшей мере, измеренного значения плотности.
В сороковом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что технологический трубопровод реализован, по меньшей мере на отдельных своих участках, особенно в области, по меньшей мере, места измерения плотности и/или в области, по меньшей мере, места измерения давления, как трубопровод, по существу устойчивый по форме, по меньшей мере, под действием рабочего давления, в частности, в форме жесткого трубопровода и/или трубопровода, имеющего круглое поперечное сечение.
В сорок первом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что технологический трубопровод реализован, по меньшей мере, на отдельных своих участках, особенно в области между местом измерения плотности и местом измерения давления и/или между местом измерения плотности и местом измерения температуры, как, по существу, прямолинейный трубопровод, в частности трубопровод, имеющий круглое поперечное сечение.
В сорок втором предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что технологический трубопровод имеет в виртуальном месте измерения плотности внутренний диаметр, отличающийся от внутреннего диаметра технологического трубопровода в месте измерения давления. В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения предусматривается, что внутренний диаметр технологического трубопровода больше в месте измерения давления, чем внутренний диаметр технологического трубопровода в виртуальном месте измерения плотности, в частности, предусматривается, что отношение внутренних диаметров: внутреннего диаметра технологического трубопровода в месте измерения давления к внутреннему диаметру технологического трубопровода в виртуальном месте измерения плотности, поддерживается бóльшим чем 1,1.
В сорок третьем предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что отношение внутренних диаметров: внутреннего диаметра технологического трубопровода в месте измерения давления к внутреннему диаметру технологического трубопровода в виртуальном месте измерения плотности, поддерживается меньшим чем 5.
В сорок четвертом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что отношение внутренних диаметров: внутреннего диаметра технологического трубопровода в месте измерения давления к внутреннему диаметру технологического трубопровода в виртуальном месте измерения плотности, поддерживается в диапазоне от 1,2 до 3,1.
В сорок пятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что технологический трубопровод имеет между виртуальным местом измерения плотности и местом измерения давления прямолинейный участок, который реализован как диффузор, в частности воронкообразный диффузор, имеющий просвет, расширяющийся в направлении потока, в частности, расширяющийся непрерывно.
В сорок шестом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что технологический трубопровод имеет между виртуальным местом измерения плотности и местом измерения давления прямолинейный участок, который реализован как сопло, в частности воронкообразное сопло, имеющее просвет, сужающийся в направлении потока, в частности сужающийся непрерывно.
В сорок седьмом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что технологический трубопровод имеет в виртуальном месте измерения плотности внутренний диаметр, который, по существу, равен внутреннему диаметру технологического трубопровода в месте измерения давления.
В сорок восьмом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что технологический трубопровод имеет в виртуальном месте измерения плотности внутренний диаметр, отличающийся от внутреннего диаметра технологического трубопровода в месте измерения температуры. В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения дополнительно предусматривается, что внутренний диаметр технологического трубопровода больше в месте измерения температуры, чем внутренний диаметр в виртуальном месте измерения плотности, в частности, что отношение внутренних диаметров: внутреннего диаметра технологического трубопровода в месте измерения температуры к внутреннему диаметру технологического трубопровода в виртуальном месте измерения плотности, поддерживается бóльшим чем 1,1.
В сорок девятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что отношение внутренних диаметров: внутреннего диаметра технологического трубопровода в месте измерения температуры к внутреннему диаметру технологического трубопровода в виртуальном месте измерения плотности, поддерживается меньшим чем 5.
В пятидесятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что отношение внутренних диаметров: внутреннего диаметра технологического трубопровода в месте измерения температуры к внутреннему диаметру технологического трубопровода в виртуальном месте измерения плотности поддерживается в диапазоне от 1,2 до 3,1.
В пятьдесят первом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что технологический трубопровод имеет между виртуальным местом измерения плотности и местом измерения температуры прямолинейный участок, реализованный как диффузор, в частности воронкообразный диффузор, имеющий просвет, расширяющийся в направлении потока, в частности, расширяющийся непрерывно.
В пятьдесят втором предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что технологический трубопровод имеет между виртуальным местом измерения плотности и местом измерения температуры прямолинейный участок, реализованный как сопло, в частности воронкообразное сопло, имеющее просвет, который сужается в направлении потока, в частности, непрерывно.
В пятьдесят третьем предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что технологический трубопровод имеет в виртуальном месте измерения плотности внутренний диаметр, по существу равный внутреннему диаметру технологического трубопровода в месте измерения температуры.
В пятьдесят четвертом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что виртуальное место измерения плотности расположено выше по течению от места измерения температуры и/или выше по течению от места измерения давления.
В пятьдесят пятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что место измерения давления расположено ниже по течению от места измерения температуры.
В пятьдесят шестом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что расстояние, на которое место измерения давления отстоит от виртуального места измерения плотности, отличается от расстояния, на которое место измерения температуры отстоит от виртуального места измерения плотности.
В пятьдесят седьмом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что расстояние, на которое место измерения давления отстоит от виртуального места измерения плотности, больше, чем расстояние, на которое место измерения температуры отстоит от виртуального места измерения плотности.
В пятьдесят восьмом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что расстояние, на которое место измерения давления отстоит от виртуального места измерения плотности, больше, чем внутренний диаметр технологического трубопровода в месте измерения давления, и/или при этом расстояние, на которое место измерения давления отстоит от места измерения температуры, больше, чем внутренний диаметр технологического трубопровода в месте измерения давления. В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения дополнительно предусматривается, что расстояние, на которое место измерения давления отстоит от виртуального места измерения плотности, соответствует, по меньшей мере, трехкратному, в частности более чем пятикратному, внутреннему диаметру технологического трубопровода в месте измерения давления, и/или что расстояние, на которое место измерения давления отстоит от места измерения температуры, соответствует, по меньшей мере, трехкратному, в частности более чем пятикратному, внутреннему диаметру технологического трубопровода в месте измерения давления.
В пятьдесят девятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительный электронный блок содержит микрокомпьютер. В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения дополнительно предусматривается, что измерительный электронный блок выдает посредством микрокомпьютера, по меньшей мере, измеренное значение плотности.
В шестидесятом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусматривается, что измерительная система дополнительно содержит, по меньшей мере, один корпус электронного блока, в частности корпус, стойкий к воздействию взрывов, и/или давления, и/или ударов, и/или к атмосферным воздействиям, в котором, по меньшей мере частично, размещается измерительный электронный блок. В дальнейшем усовершенствовании этого варианта выполнения изобретения дополнительно предусматривается, что этот, по меньшей мере, один, в частности металлический, корпус электронного блока прикреплен к технологическому трубопроводу и/или размещен в непосредственной близости от виртуального места измерения плотности.
Основная идея изобретения заключается в том, чтобы улучшить точность измерения измерительных систем описанного вида, определяя с улучшенной точностью плотность, выводимую из на самом деле реальных, но, однако, по необходимости измеряемых распределенным образом переменных состояния. Эта выводимая плотность служит в качестве центральной измеряемой переменной в многочисленных вариантах применения технологии промышленных измерений в случае текущих сред. Улучшенная точность достигается благодаря учету возможного пространственного изменения (в частности, также и степени этого изменения) числа Рейнольдса и/или термодинамического состояния текущей среды. В случае измерительной системы по изобретению это достигается за счет достоверного вычисления плотности за счет соотнесения ее с некоторым эталонным местом, определенным ранее для конкретной измерительной системы и служащим как фиксированное место измерения. Плотность, таким образом, измеряется виртуально. В дальнейшем усовершенствовании этой основной идеи точность измерения, с которой измерительная система определяет локальную плотность, может быть дополнительно значительно улучшена за счет того, что определение измерительной системой упомянутой плотности также учитывает равным образом локально измеренную существующую скорость потока для того, чтобы добиться дополнительной компенсации погрешности, сопровождающей упомянутые изменения числа Рейнольдса и/или термодинамического состояния текущей среды.
Изобретение, в таком случае, основано на том неожиданном факте, что пространственное изменение числа Рейнольдса и/или термодинамического состояния и связанные с этим погрешности измерения могут быть спроецированы на единственную координату, лежащую в направлении потока и/или совпадающую с осью потока в измерительной системе, и, таким образом, могут быть преобразованы в соответствующим образом упрощенный набор параметров измерительной системы, которые могут быть определены, по меньшей мере по преимуществу, заранее, экспериментальным образом и/или с помощью компьютера, например, в ходе калибровки измерительной системы, во время завершения ее изготовления и/или во время ее пуска. Пространственные изменения или их степень и, в результате, также и набор параметров устройства являются действительно индивидуальными для каждой конкретной измерительной системы и каждой конкретной среды, так что калибровка является индивидуальной, но такая калибровка может в таком случае, однако, рассматриваться как инвариантная по отношению к возможным изменениям числа Рейнольдса и/или термодинамического состояния, происходящим во время работы, если измерительная система остается неизменной со средой, по существу постоянной в том, что касается ее химического состава. Другими словами, для данной распределенной измерительной системы величина изменений термодинамического состояния, происходящих вдоль оси потока, может быть определена заранее, так чтобы их влияние могло быть откалибровано и, в результате, также скомпенсировано с точностью, достаточной для измерений, при этом было к удивлению обнаружено, что величина изменения является в значительной степени постоянной для данной измерительной системы с постоянной средой, так что такое изменение может быть преобразовано в набор действительно индивидуальных, но также и постоянных параметров устройства.
Преимущество изобретения заключается в том, что этот фундаментальный способ может быть подогнан к многочисленным, уже установленным измерительным системам, по меньшей мере, в той степени, в какой электронный блок измерительного устройства допускает изменение соответствующего программного обеспечения обработки данных.
Изобретение, так же как и дополнительные предпочтительные варианты его выполнения, будут теперь объяснены ниже посредством чертежей, на которых представлено следующее:
фиг.1 - вид в перспективе сбоку измерительной системы для измерения локальной плотности, которой обладает среда, протекающая в технологическом трубопроводе в месте измерения плотности, посредством датчика давления, расположенного в месте измерения давления, и датчика температуры, расположенного в месте измерения температуры;
фиг.2 - измерительная система, показанная на фиг.1, в виде структурной схемы;
фиг.3а, 3b - виды в перспективе и с частичным разрезом, под различными углами, вихревого преобразователя расхода, пригодного для применения в измерительной системе, показанной на фиг.1, и работающего в соответствии с вихревым принципом;
фиг.4а-4h, 5 - разрез различных вариантов выполнения технологического трубопровода и для относительного расположения индивидуальных мест измерения в измерительной системе, показанной на фиг.1.
ρ
На фиг.1 показана схематично измерительная система (1), которая может быть построена по модульному принципу, и предназначенная для того, чтобы определять, по меньшей мере временно и очень точно и, равным образом, очень надежно, плотность среды, протекающей в технологическом трубопроводе 20, и для того, чтобы преобразовывать такое определение, иногда даже в режиме реального времени, в соответствующее достоверное, например, даже цифровое, измеренное значение (Х) плотности. Помимо однофазной среды, также возможно, что среда может иметь две или больше фазы. Примеры сред содержат, например, газ, жидкость (которая может содержать газ и/или твердые частицы), газ, содержащий твердые частицы и/или капельки жидкости, пар или водяной пар (которые могут быть насыщенным паром или сухим паром) или тому подобное, такие как водород, азот, хлор, кислород, гелий или образованные из них соединения и/или смеси, такие как, например, двуокись углерода, вода, фосген, воздух, природный газ или другие углеводородные смеси.
-6
-1
-11
-1
В частности, измерительная система предназначена для очень точного измерения плотности текущей среды, также и для случая, при котором среда является изменчивой в том, что касается термодинамического состояния в направлении вдоль оси потока в измерительной системе, что, например, может иметь место в ситуациях, при которых внутри технологического трубопровода идет химическая реакция среды, или для кусочно охлаждаемых сред, или для кусочно нагреваемых сред, сжимаемых сред и/или в случае технологических трубопроводов, поперечное сечение которых изменяется в направлении оси потока. Эта измерительная система, кроме того, предусматривается для определения плотности текущих сред, имеющих число Рейнольдса (Re), большее чем 1000, и/или сжимаемых сред, имеющих сжимаемость (K), составляющую более чем 10 бар (10 Па).
ϑ
ϑ
p
p
Для этого измерительная система содержит: по меньшей мере, один датчик температуры, размещенный в точке (M) измерения температуры, реагирующий, главным образом, на локальную температуру (ϑ) и подающий, по меньшей мере, один сигнал (х) измерения температуры, находящийся под влиянием такой локальной температуры протекающей среды, подлежащей измерению; равно как, по меньшей мере, один датчик давления, размещенный в месте (M) измерения давления, реагирующий, главным образом, на локальное, например статическое и/или абсолютное, давление (p) протекающей среды, подлежащей измерению, и подающий, по меньшей мере, один сигнал (x) измерения давления, находящийся под влиянием такого локального давления в этой среде. Хотя место измерения давления в примере показанного здесь варианта выполнения изобретения расположено ниже по течению от места измерения температуры, оно, в случае необходимости, конечно, может быть также расположено выше по течению от точки измерения температуры.
ϑ
p
ϑ
p
Помимо датчика температуры и датчика давления измерительная система дополнительно содержит, по меньшей мере, один измерительный электронный блок 100, поддерживающий, по меньшей мере временно, связь как с датчиком температуры, так и с датчиком давления, и принимающий по проводам и или беспроводным способом измерительные сигналы (х), (x) от датчика температуры и датчика давления. Измерительные сигналы (х), (x), если это необходимо, могут быть перед их отправкой в измерительный электронный блок 100 надлежащим образом преобразованы.
В качестве датчика температуры может, например, служить промышленный датчик температуры, такой как, например, термопара или термометр сопротивления, относящийся к типу Pt 100 или Pt 1000, в то время как датчик давления может, например, представлять собой промышленный датчик измерения давления, в частности абсолютного и/или относительного, например датчик с емкостным элементом измерения давления. Конечно, если это необходимо, то могут быть использованы также и другие элементы измерения давления, преобразующие значения давления, регистрируемые и передаваемые от среды, в соответствующие измерительные сигналы, равно как и другие подходящие датчики температуры. Кроме того, датчик температуры может быть предусмотрен, например, как компонент самостоятельного устройства измерения температуры, промышленного типа, имеющего свой собственный электронный блок измерительного устройства. Такие устройства измерения температуры, известные по своей сути специалистам в данной области техники, широко признаны в технологии измерений производственного процесса и продаются, например, также фирмой "Endress + Hauser Wetzer GmbH + Co. KG", под обозначениями "Easytemp TSM" or "Omnigrad Т". В качестве альтернативы этому или в дополнение к этому датчик температуры может, как более подробно объяснено ниже, также быть реализован как составная часть сложного встроенного в трубопровод измерительного устройства, возможно регистрирующего даже множество измеряемых переменных текущей среды. Равным образом и датчик давления также может быть составной частью такого сложного, встроенного в трубопровод измерительного устройства или компонента самостоятельного устройства измерения давления, промышленного типа, со своим собственным электронным блоком измерительного устройства. Такие устройства измерения давления, аналогичным образом известные специалистам в данной области техники, также широко признаны в технологии измерений производственного процесса и продаются, например, также фирмой "Endress + Hauser Wetzer GmbH + Co. KG" под обозначениями "Cerabar S", "Cerabar M" или "Cerabar Т". Однако, кроме того, датчик давления и датчик температуры могут также быть предусмотрены в форме единого измерительного устройства для измерения давления и температуры, например в форме промышленного комбинированного измерительного устройства, которое предложено в WO-А 97/48970.
Как схематично показано на фиг.1, измерительный электронный блок может быть размещен, по меньшей мере частично, в корпусе 110 электронного блока, в частности корпусе, стойком к воздействию взрывов, и/или давления, и/или ударов, и/или к атмосферным воздействиям. Корпус 110 электронного блока, изготовленный, например, из металла, может, что также показано на фиг.1, при необходимости быть установлен на технологическом трубопроводе.
ρ
Для проводимой внутри измерительной системы дальнейшей обработки сигнала измерения давления и сигнала измерения температуры один вариант выполнения изобретения дополнительно предусматривает в измерительном электронном блоке микрокомпьютер (µС), который служит, в частности, также для выдачи измеренного значения (Х) плотности и который может быть образован, например, посредством, по меньшей мере, одного микропроцессора и/или посредством, по меньшей мере, одного процессора обработки сигналов. В качестве альтернативы этому или в дополнение к этому для воплощения микрокомпьютера (µС) также могут быть использованы специализированные по применению интегральные схемы (ASIC-схемы) и/или компоненты или системы с программируемой логикой, такие как, например, так называемые FPGA-матрицы (программируемые пользователем вентильные матрицы) и/или могут быть использованы, что также предлагается в WO-А 03/098154, так называемые SOPC-системы (системы на программируемой микросхеме). Кроме того, в другом варианте выполнения изобретения измерительный электронный блок содержит по меньшей мере один элемент отображения для интерфейса "человек - машина", размещенный, например, в непосредственной близости от измерительного электронного блока и поддерживающий, по меньшей мере временно, связь с этим измерительным электронным блоком, в частности с микрокомпьютером, возможно в ней предусмотренным, для визуальной индикации, по меньшей мере, измеренного значения плотности. Элемент отображения для интерфейса "человек - машина" в таком случае может быть реализован также в форме комбинированного элемента отображения и обслуживания, который делает возможным, помимо визуализации измеренных значений, также ввод пользователем сервисных команд, задающих параметры и/или управляющих измерительным электронным блоком.
ϑ
p
p
В дополнительном варианте выполнения изобретения, кроме того, предусматривается, что измерительный электронный блок периодически генерирует, основываясь на сигнале измерения температуры, например также с применением, при необходимости, предусмотренного микрокомпьютера, измеренное значение (Х) температуры, в частности цифровое значение, представляющее в виде мгновенного значения локальную температуру среды, в частности температуру среды в месте измерения температуры, и/или что измерительный электронный блок периодически генерирует, основываясь на сигнале (x) измерения давления, например, в свою очередь, с применением, при необходимости, предусмотренного микрокомпьютера, измеренное значение (X) давления, в частности цифровое значение, представляющее в виде мгновенного значения давление, преобладающее в среде, в частности в месте измерения давления.
По меньшей мере, для вышеописанного случая, при котором измерительная система образована посредством двух или также больше самостоятельных измерительных устройств, в случае измерительной системы по изобретению, также и измерительный электронный блок может быть реализован посредством надлежащего соединения, проводами и/или беспроводным способом, электронного блока отдельных измерительных устройств, образующего, таким образом, подкомпоненты измерительного электронного блока, и может, в результате, также быть составлена по модульному принципу. В таком случае измерительный электронный блок может поддерживать связь с датчиком температуры и/или с датчиком давления, например, посредством полевой шины, в частности последовательной полевой шины. В качестве альтернативы распределенной конструкции измерительный электронный блок может, тем не менее, в случае необходимости, также быть реализован в форме единственного модуля, в который измерительные сигналы, выдаваемые датчиками давления и/или температуры, подаются напрямую.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
При необходимости, по меньшей мере два электронных блока измерительных устройств, или подкомпоненты электронного блока 100, 100, должны быть так соединены между собой способом, известным специалистам в данной области техники, чтобы во время работы по меньшей мере одного из этих двух электронных блоков 100, 100 измерительных устройств соответственно выданные данные измерения могли быть переданы, по меньшей мере в одном направлении, другому блоку, функционирующему, таким образом, в качестве главного электронного блока. Это может быть реализовано способом, известным специалистам в данной области техники, в форме измерительных сигналов, закодированных по их напряжению, их току и/или их частоте, и/или в форме измеренных значений, облаченных в форму закодированных в цифровой форме телеграмм, например способом HART - MULTIDROP или способом пакетно-монопольного режима. Однако вместо этого также могут быть использованы соединения по данным, поддерживаемые в двух направлениях между двумя блоками, электронными блоками 100, 100 измерительных устройств, для передачи локально определенных, измеряемых переменных, в каждом случае, соответственно, другому электронному блоку 100, 100 измерительных устройств, например, через внешнюю полевую шину. Для осуществления необходимого соединения связи между двумя электронными блоками 100, 100 измерительных устройств можно с пользой применить стандартные интерфейсы, соответственно принятые в технологии промышленных измерений и автоматизации, такие как, например, передаваемые по проводам токовые петли 4-20 мА, при необходимости также в сочетании с HART или другими применимыми протоколами полевой шины и/или соответствующие соединения по радио.
1
2
По меньшей мере, один измерительный электронный блок 100, 100, кроме того, спроектирован так, что он поддерживает, по меньшей мере временно, связь, как это схематично показано на фиг.1, с вышеописанной по отношению к нему системой обработки данных, и таким образом, что, по меньшей мере при обычной измерительной операции, измеренные значения, периодически определяемые со стороны измерительной системы, передаются, при необходимости даже в виде закодированной в цифровой форме телеграммы, в настолько короткое время, насколько это возможно, и/или в режиме реального времени системе обработки данных. Для регистрации измеренных значений, переданных от измерительного электронного блока, система 2 обработки данных дополнительно снабжена, по меньшей мере, одной оценивающей схемой 80, поддерживающей с ней, по меньшей мере временно, соответствующую связь. Система 2 обработки данных может, например, являться частью расположенного рядом с технологическим процессом автоматического управляющего модуля или также удаленной системы управления технологическим процессом, имеющей множество компьютеров для управления технологическим процессом и/или цифровых программируемых логических контроллеров, которые расположены пространственно распределенным образом в пределах промышленного предприятия и соединены между собой через соответствующую сеть передачи данных, в частности, также посредством цифровых полевых шин. Равным образом система обработки данных может быть соединена с дополнительными измерительными устройствами и/или с управляющими устройствами, такими как, например, клапаны или насосы, участвующие в технологическом процессе. Система обработки данных дополнительно содержит, по меньшей мере, одну полевую шину (FB), в частности последовательную полевую шину, служащую для передачи цифровых данных измерения и/или рабочих данных. Эта по меньшей мере одна полевая шина (FB) может, например, представлять собой шину, функционирующую в соответствии с одним из стандартов, принятых в области автоматизации производственных процессов, такую как например FOUNDATION FIELDBUS, PROFIBUS, CANBUS, MODBUS, RACKBUS-RS 485 или им подобную. Вышеупомянутая оценивающая схема 80 присоединена к, по меньшей мере, одной полевой шине специально для передачи измеренных значений, принятых в форме цифровых данных измерения от измерительной системы. В зависимости от того, как реализованы полевая шина и измерительный электронный блок, последний может быть соединен с системой 2 обработки данных либо непосредственно, либо посредством адаптера, который соответствующим образом преобразует сигнал, несущий измеренное значение.
V
Измерительный электронный блок и система 2 обработки данных, расположенная, при необходимости, от нее на значительном пространственном удалении, в дальнейшем усовершенствовании изобретения имеют электрическое соединение друг с другом посредством, по меньшей мере, одной пары (2L) проводов, по которой во время работы протекает, по меньшей мере временно, ток (I), в частности изменяемый ток (I). Этот ток может подаваться, например, от внешнего источника 70 электрической энергии или мощности, предусмотренного в этой вышестоящей системе обработки данных. Во время работы источник 70 электропитания обеспечивает, по меньшей мере, одно напряжение (U) питания, в частности униполярное напряжение питания, возбуждая ток (I), протекающий в паре (2L) проводов. Источник энергоснабжения в таком случае может представлять собой, например, батарею и/или цепь источника напряжения постоянного или переменного тока, запитываемую через внутреннюю сеть энергоснабжения предприятия. Для присоединения, в частности, с возможностью отсоединения, этой, по меньшей мере, одной пары (2L) проводов к измерительному электронному блоку 100, а таким образом, и к самой измерительной системе 1, такая аппаратура дополнительно содержит, по меньшей мере, одну доступную извне клеммную пару.
1
2
1
2
Для вышеописанного случая измерительного электронного блока, собранного по модульному принципу из отдельных подкомпонентов, каждый из подкомпонентов 100, 100 может, например, быть соединен отдельно с внешним источником энергоснабжения, например, также посредством вышеупомянутой токовой петли на 4-20 мА. Однако в качестве альтернативы этому или дополнения к этому один из подкомпонентов 100, 100может также быть соединенным с другим подкомпонентом таким образом, чтобы он мог, по меньшей мере временно, питать такой другой подкомпонент электрической энергией.
N
N
Измерительный электронный блок, кроме того, выполнен таким образом, что измеренные значения, генерируемые внутренним образом в измерительной системе, будь то теперь измеренные значения единственной регистрируемой измеряемой переменной или измеренные значения различных регистрируемых измеряемых переменных, таких как, например, определяемая плотность и определяемый массовый расход, передаются, по меньшей мере частично, через эту, по меньшей мере, одну пару (2L) проводов системы 2 обработки данных. Пара (2L) электрических проводов в таком случае может представлять собой часть так называемой двухпроводной токовой петли, хорошо зарекомендовавшей себя в технологии промышленных измерений. Тогда для этого случая, с одной стороны, измеренные значения, выдаваемые, по меньшей мере временно, передаются через эту единственную пару (2L) проводов вышестоящей системе обработки данных в форме модулируемого нагрузкой (например, посредством традиционных цепей связи) тока в петле, в частности, тактируемого или непрерывно изменяющегося тока в петле, а с другой стороны, через эту пару (2L) проводов измерительный электронный блок и, таким образом, измерительная система снабжаются посредством соответствующего, в частности, тактируемого инвертора постоянного тока, по меньшей мере временно и/или по меньшей мере частично, электрической энергией или электрической мощностью (I·U).
Измерительный электронный блок 100, кроме того, предназначен для генерирования во время работы множества измеренных значений, в частности цифровых измеренных значений, представляющих, по меньшей мере частично, эту, по меньшей мере, одну измеряемую переменную, и для передачи таких значений, по меньшей мере частично, через клеммы и надлежащим образом соединенную с ними пару (2L) проводов подсоединенной системе 2 обработки данных в форме, подходящей для системы 2 обработки данных. В случае необходимости измерительная система, в связи с этим, может быть дополнительно усовершенствована таким образом, что измерительный электронный блок 100 и система 2 обработки данных были также соединены друг с другом посредством, по меньшей мере, одной дополнительной второй пары проводов (не показанной на чертеже), через которую во время работы, по меньшей мере временно, соответственно протекает электрический ток. Для этого случая измерительная система может дополнительно передавать внутренне генерируемые измеренные значения, по меньшей мере частично, также через дополнительную пару проводов системе обработки данных. В качестве альтернативы этому или в дополнение к этому измерительная система и система обработки данных могут также поддерживать связь друг с другом беспроводным способом, например посредством радиоволн. В частности, для этого последнего случая может также быть предпочтительным снабжать измерительную систему электрической энергией, в частности, также исключительно посредством внутренней и/или внешней, в частности, сменной и/или перезаряжаемой батареи и/или топливного элемента. Кроме того, измерительная система может дополнительно запитываться, частично или исключительно, посредством преобразователей мощности с использованием регенеративных источников энергии и размещаться непосредственно на измерительном устройстве нижнего уровня и/или размещаться на удалении от него, примерами таких преобразователей мощности являются, например, термогенераторы, солнечные батареи, ветряные генераторы и тому подобное.
Измерительная система может обмениваться через измерительный электронный блок, по меньшей мере временно, с внешним обслуживающим и управляющим модулем, например портативным обслуживающим модулем или программирующим устройством, предусмотренным в системе обработки данных, данными, относящимися к конкретному устройству, такими как параметры настроек, внутренними по отношению к измерительному устройству, для измерительного электронного блока и/или диагностическими параметрами, внутренними по отношению к измерительной системе. С этой целью в измерительном электронном блоке 100 дополнительно предусматривается, по меньшей мере, одна схема (СОМ) связи, которая управляет связью по, по меньшей мере, одной паре (2L) проводов. В частности, схема связи служит для преобразования данных, относящихся к конкретной измерительной системе, подлежащих отправке, в сигналы, способные передаваться через пару (2L) электрических проводов, и для того, чтобы затем подавать такие сигналы в провода. В качестве альтернативы схема (СОМ) связи может, однако, также быть предназначена для приема данных, относящихся к конкретной измерительной системе, например, набора параметров настроек, подлежащих изменению для измерительного электронного блока, посылаемых извне через подходящую пару электрических проводов. Схема связи может, например, представлять собой интерфейсную схему, работающую в соответствии с протоколом HART@ - Field - Communications - Protocol (протокол взаимодействия с удаленным датчиком с шинной адресацией, HART Communication Foundation (Фонд связи по протоколу HART) г.Остин, штат Техас, США), в котором в качестве носителя сигнала применяется высокочастотное кодированное посредством ЧМ (частотной манипуляции) переменное напряжение, или, однако, также интерфейсную схему, работающую в соответствии со стандартом PROFIBUS (стандарт высокоскоростной шины цифрового технологического оборудования). В случае необходимости к измерительному электронному блоку также дополнительно могут иметь прямой доступ исполняемые внешним образом (например, в оперативной среде описанной системы обработки данных) процессы, поддерживающие связь с измерительным электронным блоком 100 и обрабатывающие данные.
ϑ
p
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
p
ϑ
ρ
ϑ
p
Измерительная система, согласно изобретению, дополнительно предусматривает, что измерительный электронный блок выдает во время работы, с применением, по меньшей мере, сигнала (х) измерения температуры, так же как и сигнала (x) измерения давления, измеренное значение (Х) плотности таким образом, что оно представляет мгновенное значение локальной плотности, которую текущая среда фактически имеет в воображаемом эталонном месте (которое может также быть расположено на заранее заданном расстоянии от реального места измерения давления и/или реального места измерения температуры вдоль оси потока), определенной локально в пределах технологического трубопровода 20. Это виртуальное эталонное место, в виду отсутствия в нем соответствующего датчика плотности и для того, чтобы отличать его от фактически образованных и, таким образом, реальных мест измерения, созданных посредством соответственно датчика температуры и датчика давления, именуется как виртуальное место (М′) измерения плотности. Виртуальное место (М′) измерения плотности в таком случае, как может быть отнесено к эталонному месту, выбираемому во время работы из множества заданных эталонных мест и, таким образом, быть определенным образом изменяющимся по своему местоположению, так и оно может также сохраняться фиксированным по своему местоположению. По меньшей мере, для последнего случая дополнительный вариант реализации изобретения предусматривает, что корпус электронного блока с расположенным в нем измерительным электронным блоком размещается в непосредственной близости от виртуального места (М′) измерения плотности. Определение виртуального места (М′) измерения плотности происходит в таком случае путем соответствующего конфигурирования измерительного электронного блока, в частности вычислительным способом, исполняемым при этом в целях измерения плотности, учитывающего положение и геометрический характер реальных мест (M), (М) измерения. Предусматривается, что виртуальное место (М′) измерения плотности расположено выше по течению от места (М) измерения температуры и/или выше по течению от места (M) измерения давления. Кроме того, для определения плотности может быть предпочтительным позволить месту измерения плотности совпасть либо с местом измерения температуры, либо с местом измерения давления.
ρ
Текущая среда имеет, по меньшей мере, одну переменную состояния, например температуру, и/или давление, и/или плотность, и/или число Рейнольдса (Re), которая (которые) по отдельности или вместе принимает (принимают) в виртуальном месте (М′) измерения плотности, по меньшей мере временно, в частности в период времени, относящийся к выдаче измеренного значения плотности, и/или периодически, величину, в значительной степени (по меньшей мере в смысле точности измерения, требуемой для измерения плотности) иную, чем в, по меньшей мере, одном из реальных мест измерения, подающих фактические сигналы измерения соответственно в месте измерения температуры и/или месте измерения давления. Следует учесть, что среда в виртуальном месте измерения плотности находится, по меньшей мере временно, в термодинамическом состоянии и/или в состоянии потока, которое (которые) отличается (отличаются) в значительной степени, в частности, в степени, значительной для требуемой точности измерения измерительной системы, в том, что касается, по меньшей мере, одной локальный, переменной термодинамического состояния (температуры, давления, плотности и т.д.), от термодинамического состояния среды в месте измерения температуры и/или от термодинамического состояния среды в месте измерения давления. Это пространственное изменение термодинамического состояния и/или состояния потока в текущей среде может возникнуть, как уже было упомянуто, например, в случае сжимаемой среды, среды, реагирующей в технологическом трубопроводе, дополнительно охлаждаемой среды или дополнительно нагреваемой среды. Кроме того, такое изменение термодинамического состояния и/или состояния потока можно также вызвать, позволяя среде протекать по технологическому трубопроводу, сечение которого сужается и/или сечение которого расширяется вдоль оси потока, таким образом, как это имеет место, например, при применении в технологическом трубопроводе сопел или диффузоров, так что среда ускоряется или замедляется, что, сообразно случаю, сопровождается сжатием или расширением этой среды.
ρ
По этой причине дополнительно предусматривается, что измерительный электронный блок, основываясь на сигнале измерения давления, так же как и на сигнале измерения температуры, определяет сначала предварительное измеренное значение (Х′) плотности, например, в соответствии с одним из упомянутых промышленных стандартов AGA 8, AGA NX-19, SGERG-88, IAWPS-IF97, ISO 12213:2006, для представления плотности, которую текущая среда лишь предположительно имеет в виртуальном месте измерения плотности, что объясняется предварительным пренебрежением рассматриваемыми пространственными изменениями в том, что касается термодинамического состояния и/или состояния потока.
ρ
Определение предварительного измеренного значения (Х′) плотности в таком случае может выполняться, по меньшей мере временно, в частности, также и для, по меньшей мере частично, газообразных сред, таких как природный газ, воздух, метан, фосген и т.д., на основе формулы:
M
в которой n представляет собой молярную массу, z - коэффициент сверхсжимаемости газа среды, определяемый в соответствии с одним из промышленных стандартов AGA 8, AGA NX-19, SGERG-88, IAWPS-IF97, ISO 12213:2006 и/или с применением сигнала измерения температуры и/или сигнала измерения давления, и R - относительная газовая постоянная среды, соответствующая абсолютной газовой постоянной (R), нормализованной по молярной массе (n) среды, соответственно: R/n, при этом R=8,3143 Дж/(К моль).
ρ
В качестве альтернативы этому или в дополнение к этому измерительный электронный блок может определять предварительное измеренное значение (Х′) плотности, по меньшей мере временно, в частности, в случае сред, содержащих, по меньшей мере частично, пар, основываясь на формуле:
IAWPS-IF97
р
IAWPS-IF97
IAWPS-IF97
IAWPS-IF97
M
ϑ
IAWPS-IF97
в которой π=Х/Р* и γ=g/(R*Х), при этом Р* представляет собой относящееся к конкретной среде критическое давление в соответствии с промышленным стандартом IAWPS-IF97, в частности 16,53 МПа для случая, при котором среда, подлежащая измерению, представляет собой воду, выше которого среда, подлежащая измерению, не может быть жидкостью, a g - относящаяся к конкретной среде свободная энтальпия (свободная энергия Гиббса) в соответствии с промышленным стандартом IAWPS-IF97.
ρ
ρ
Выбор действительно подходящей на текущий момент времени соответствующей расчетной формулы для предварительного измеренного значения (Х′) плотности и, таким образом, в конце концов, также и для фактического измеренного значения (Х) плотности в таком случае может быть выполнен автоматически и/или в диалоге с пользователем на месте или посредством вышестоящей системы обработки данных - полуавтоматически, при необходимости также с учетом измеренного на текущий момент давления и измеренной на текущий момент температуры и/или в соответствии со способом выбора, предложенным в упомянутом в начале WO-А 2004/023081.
В предложенном варианте выполнения изобретения, кроме того, предусматривается, что измерительный электронный блок выдает измеренное значение плотности, также применяя, по меньшей мере, один численный поправочный коэффициент (K), например, хранящийся в памяти в цифровой форме поправочный коэффициент, который соответствует локальной изменчивости, относящейся к конкретной измерительной системе и конкретной среде и возникающей вдоль оси потока среды, по меньшей мере, для одной переменной термодинамического состояния среды, в частности температуры, давления или самой плотности, и/или который соответствует локальной изменчивости, относящейся к конкретной измерительной системе и конкретной среде и возникающей вдоль оси потока среды для числа Рейнольдса текущей среды.
p
p
Вышеупомянутые локальные изменчивости и, как результат, поправочный коэффициент (K) в таком случае могут быть определены заранее, по меньшей мере, для измерительных систем с остающимися постоянными условиями и/или во время работы, например, с учетом среды, фактически подлежащей измерению, в частности, ее химического состава и/или ее термодинамических свойств. Определение поправочного коэффициента (K) может происходить, например, во время калибровки измерительной системы при помощи известной эталонной среды и/или во время пуска измерительной системы на месте эксплуатации. Для определенных вариантов, в частности для сред, химический состав которых остается постоянным и термодинамические свойства которых остаются постоянными, может быть вполне достаточно определить этот, по меньшей мере, один поправочный коэффициент (K), по меньшей мере, однажды только во время пуска измерительной системы. Однако в случае сред, которые во время работы измерительной системы изменяются значительно, в том, что касается их состава и/или термодинамических свойств, при необходимости также и в результате замены такой среды, может оказаться весьма полезным, чтобы измерительный электронный блок определял поправочный коэффициент (K) периодически также и после пуска, во время работы измерительной системы. Определение поправочного коэффициента (K) в таком случае может быть выполнено на основе заранее заданной (при необходимости определяемой в диалоге с пользователем, на месте или в дистанционном режиме, и/или внешним по отношению к измерительному электронному блоку образом) удельной теплоемкости (c) среды, имеющейся в текущий момент времени. Например, теплоемкость (c) или также другие параметры для определения среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, могут быть переданы из системы обработки данных измерительного электронного блока и, таким образом, также и измерительной системе.
Измерительный электронный блок содержит специально для упрощения определения поправочного коэффициента (K), по меньшей мере, одну память 16 данных, в частности энергонезависимую память данных, для хранения параметров измерительной системы, требующихся для работы измерительной системы, в частности для определения ее функциональных возможностей по измерению и передаче данных. В частности, в таком случае дополнительно предусматривается, что память данных, например память данных в форме табличной памяти и/или энергонезависимой памяти, хранит, по меньшей мере временно, этот, по меньшей мере, один поправочный коэффициент (K), если необходимо, то также и в случае, когда измерительный электронный блок выключен. Например, память данных может хранить для такой цели также множество поправочных коэффициентов, определенных для различных сред и/или для различных обстоятельств установки, так что измерительный электронный блок может выбрать из множества поправочных коэффициентов, хранящихся в памяти данных, этот, по меньшей мере, один подходящий для текущего момента времени поправочный коэффициент (K), учитывая при этом среду, имеющуюся на текущий момент времени, так же как и обстоятельства установки, имеющиеся на текущий момент времени.
M
ρ
M
M
p
M
В частности, также для определения поправочного коэффициента (K) память данных хранит, по меньшей мере временно, по меньшей мере, один параметр (SP) измерительной системы, относящийся к первому виду, определяющий исключительно среду, подлежащую измерению в текущий момент времени, и что измерительный электронный блок определяет измеренное значение (Х) плотности, применяя, по меньшей мере, этот, по меньшей мере, один параметр (SP) измерительной системы, относящийся к первому виду. Параметр (SP) измерительной системы, относящийся к первому виду, может представлять собой, например, удельную теплоемкость (c) среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, молярную массу (n) среды и/или число (f) колебательных степеней свободы атомов или молекул среды, которое определяется молекулярным строением среды, и/или параметры, выводимые из них, такие как, например, коэффициент реального газа или также сверхсжимаемости газа, при необходимости также определяемый в соответствии с одним из промышленных стандартов AGA 8, AGA NX-19, SGERG-88, IAWPS-IF97, ISO 12213:2006. Таким образом, для определения среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, в памяти данных могут храниться соответственно также два или более из таких параметров (SP) измерительной системы, относящихся к первому виду, имеющих различные размерности и/или единицы измерения.
ME
ρ
ME
M
ME
M
В предпочтительном варианте выполнения изобретения, кроме того, предусматривается, что память данных хранит, по меньшей мере временно, по меньшей мере один параметр (SP) измерительной системы, относящийся ко второму виду, определяющий как среду, подлежащую измерению в текущий момент времени, так и также мгновенные обстоятельства установки измерительной системы, и что измерительный электронный блок определяет измеренное значение (Х) плотности, применяя, по меньшей мере, параметр (SP) измерительной системы, относящийся ко второму виду, и, в частности, однако, также применяя и параметр (SP) измерительной системы, относящийся к первому виду. Обстоятельства установки в таком случае заданы, по меньшей мере, в той степени, в которой они имеют значение для определения измеренного значения плотности, расположением (по отношению друг к другу) места (мест) измерения давления, температуры и плотности, так же как в каждом случае формой и размером технологического трубопровода в области места (мест) измерения давления, температуры и плотности. Следовательно, параметр (SP) измерительной системы, относящийся ко второму виду, может быть, например, частью набора параметров, отражающего информацию о местах измерения в том, что касается их фактических мест расположения и фактического характера технологического трубопровода в области точек измерения, равно как также и о термодинамических свойствах среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, или также может быть численным значением сложного параметра, надлежащим образом учитывающего такие влияния, окончательно определяемого, например, экспериментально и/или эмпирически, первым во время работы измерительной системы, при необходимости также с применением параметра (SP) измерительной системы, относящегося к первому виду.
M
ME
p
p
M
M
ME
Кроме того, измерительный электронный блок принимает, по меньшей мере временно, в частности, в виде телеграмм от системы обработки данных и/или определяемые в кратчайшее время численные значения параметров для параметров (SP, SP), по меньшей мере, одной среды, подлежащей измерению, и/или измерительной системы, определяющих мгновенные обстоятельства установки измерительной системы, например, соответственно, теплоемкости (c) для среды, подлежащей измерению в текущий момент времени и/или в будущем. Теплоемкость (c) или также одинаковым образом передаваемый другой параметр (SP) системы, относящийся к первому виду, в таком случае может быть определен заранее посредством соответствующего измерения, выполняемого, например, местом измерения плотности и/или также внешним по отношению к измерительной системе образом и/или посредством ввода со стороны пользователя, при необходимости также с применением вышестоящей системы обработки данных. Кроме того, в измерительной системе по изобретению, следовательно, также предусматривается, что измерительный электронный блок, поддерживающий, по меньшей мере временно, связь по проводу или по радио с электронной системой обработки данных, передает измеренное значение плотности системе обработки данных, и/или что измерительный электронный блок, по меньшей мере временно, принимает от системы обработки данных численные значения параметров, в частности, в форме стандартизированной телеграммы, для среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, например, соответственно, параметры (SP) измерительной системы, относящиеся к первому виду, определяющие ее термодинамические свойства и/или ее химический состав. Если требуется, то также имеется дополнительная возможность определять посредством системы обработки данных параметры (SP) измерительной системы, относящиеся ко второму виду, и передавать такие параметры в форме численных значений параметров непосредственно измерительному электронному блоку.
M
p
Для описанного случая, при котором измерительный электронный блок должен автоматически определять во время работы, по меньшей мере временно, на основе параметров (S) системы, относящихся к первому виду, удельную теплоемкость (c) среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, такое определение может быть выполнено, например, на основе формулы:
в которой n представляет собой параметр измерительной системы - молярную массу, R - абсолютную газовую постоянную, при этом R=8,3143 Дж/(К·моль), и f - параметр измерительной системы - количество колебательных степеней свободы атомов или молекул среды, подлежащей измерению в текущий момент времени.
Предпочтительно поправочный коэффициент определяется исключительно средой, подлежащей измерению в текущий момент времени, в частности ее химическим составом, так же как и выводимыми непосредственно из него физическими параметрами, так же как и конкретным вариантом выполнения измерительной системы в том, что касается установочных размеров и установочных положений индивидуальных точек измерения, так же как и размера и формы технологического трубопровода в области точек измерения, так чтобы он в конце концов был в значительной степени независим от реально измеренных измеряемых переменных, давления и температуры.
ρ
K
K
Вследствие и с учетом того факта, что изменение термодинамического состояния или состояния потока текущей среды, а заодно с ним точность измерения таких измерительных систем вполне могут совместно определяться также фактической скоростью потока среды, дополнительный вариант выполнения изобретения, кроме того, предусматривает, что измерительный электронный блок определяет измеренное значение (Х) плотности, применяя, по меньшей мере, значение (X) коррекции плотности, определяемое во время работы и зависящее как от скорости потока среды, так также и от локальной температуры, преобладающей в месте измерения температуры. Это значение (X) коррекции плотности, в таком случае, воплощено таким образом, что оно соответствует мгновенной локальной изменчивости, по меньшей мере, переменной термодинамического состояния среды, в частности, такой переменной, которая зависит от среды, подлежащей измерению в текущий момент времени, так же как и от мгновенных обстоятельств установки, и/или которая соответствует мгновенной локальной изменчивости числа Рейнольдса текущей среды, в частности, такой изменчивости, которая является следствием среды и/или конструкции измерительной системы и имеет место вдоль оси потока в измерительной системе.
v
По меньшей мере временно, в измерительном электронном блоке является доступным соответствующее измеренное значение (X) скорости, представляющее в виде мгновенного значения, настолько близкого к текущему моменту времени, насколько это возможно, скорость потока среды, протекающей в измерительной системе.
v
ϑ
K
Затем, с применением измеренного значения (X) скорости и измеренного значения (Х) температуры, так же как и уже упоминавшегося поправочного коэффициента (K), величина (X) коррекции плотности может быть определена посредством измерительного электронного блока на основе формулы:
ρ
ρ
ρ
K
По меньшей мере для вышеописанного случая, при котором измерительный электронный блок (100) определяет предварительное измеренное значение (Х′) плотности посредством вычислительного алгоритма, основанного на расчетной формуле (1) и/или на расчетной формуле (2), измеренное значение (Х) плотности для виртуальной измеренной плотности может быть очень просто и быстро определено с применением обоих значений из числа: предварительного измеренного значения (Х′) плотности, а также дополнительно значения (X) коррекции плотности, при помощи формулы:
ρ
Соответственно, в предпочтительном варианте выполнения изобретения измерительный электронный блок сконфигурирован таким образом, что он определяет измеренное значение (Х) плотности, применяя вышеупомянутые формулы (4), (5), так же как (1) или (2), по меньшей мере временно, на основе формулы:
и/или, по меньшей мере временно, на основе формулы:
K
K
K
K
ρ
ρ
ρ
ρ
K
K
ρ
K
ρ
ρ
ρ
Для проверки достоверности определенного в мгновенном виде измеренного значения плотности, например в ходе самопроверки измерительной системы, измерительный электронный блок в предпочтительном варианте выполнения изобретения во время работы периодически сравнивает величину (X) коррекции плотности с, по меньшей мере, одним эталонным значением, относящимся к конкретной заданной измерительной системе. При дальнейшем усовершенствовании предусматривается, что измерительный электронный блок, основываясь на сравнении значения (X) коррекции плотности и эталонного значения, количественно сигнализирует о мгновенном отклонении значения (X) коррекции плотности от эталонного значения и/или временно генерирует сигнал тревоги, сигнализирующий о нежелательном, в частности, недопустимо высоком расхождении между значением (X) коррекции плотности и соответствующим эталонным значением. В качестве альтернативы этому или в дополнение к этому измерительный электронный блок, кроме того, реализован таким образом, что он определяет периодически во время работы погрешность плотности, которая соответствует отклонению, в частности относительному отклонению, предварительного измеренного значения (Х′) плотности и измеренного значения (Х) плотности, в частности, таких значений, определенных в соответствии со стандартами в вышеупомянутом смысле, и также выдает такую погрешность в форме численного значения погрешности плотности. Недопустимо высокое расхождение между предварительным измеренным значением (Х′) плотности и измеренным значением (Х) плотности или между значением (X) коррекции плотности и соответствующим эталонным значением может, например, быть отнесено за счет ошибочного задания параметров измерительного электронного блока, или неожиданного изменения среды, подлежащей измерению, и/или повреждения установки, содержащей технологический трубопровод. Предусматривается, что измерительный электронный блок применяет значение (X) коррекции плотности при генерировании измеренного значения (Х) плотности только тогда, когда оно составляет, по меньшей мере, единицу, в частности лежит в диапазоне от 1 до 1,2. В варианте выполнения изобретения, альтернативном этому, измерительный электронный блок сконфигурирован таким образом, что он применяет значение (X) коррекции плотности при генерировании измеренного значения (Х) плотности только тогда, когда оно составляет, самое большее, единицу, в частности лежит в диапазоне от 0,8 до 1. В дополнение к этому может быть предпочтительным для пользователя, когда измерительный электронный блок выводит мгновенную погрешность плотности в форме численного значения погрешности плотности и/или сравнивает мгновенную погрешность плотности, по меньшей мере, с одним заранее заданным эталонным значением и, основываясь на этом сравнении, генерирует временно сигнал тревоги, который сигнализирует о нежелательном, в частности, недопустимо высоком расхождении между предварительным измеренным значением (Х′) плотности и измеренным значением (Х) плотности, например, на месте, посредством элемента отображения интерфейса "человек - машина".
v
K
v
v
v
ρ
Измерительная система дополнительно подает по меньшей мере один сигнал (x) измерения расхода, находящийся под влиянием локальной скорости потока. Это сделано, в частности, также с целью автоматического и производимого в кратчайшее время определения значения (X) коррекции плотности. Для выполнения подачи этого, по меньшей мере, одного сигнала (x) измерения расхода измерительная система оснащена, по меньшей мере, одним датчиком расхода, размещенным в месте (M) измерения скорости для того, чтобы реагировать, главным образом, на локальную скорость потока среды, подлежащей измерению, в частности на скорость потока, усредненную по поперечному сечению технологического трубопровода, в частности, также и на изменения этой скорости потока. Во время работы измерительный электронный блок 100 и датчик расхода, следовательно, поддерживают, по меньшей мере временно, связь друг с другом, по меньшей мере таким образом, что измерительный электронный блок имеет в своем распоряжении, по меньшей мере временно, сигнал (x) измерения расхода, генерируемый датчиком расхода. В частности, в таком случае дополнительно предусматривается, что измерительный электронный блок определяет измеренное значение (Х) плотности также с применением сигнала измерения расхода. По меньшей мере для этого измерительный электронный блок поддерживает, по меньшей мере временно, связь также с датчиком расхода, например, также через внешнюю полевую шину и/или беспроводным способом по радио. Кроме того, предусматривается, что измеренное значение плотности генерируется посредством электронного блока измерительного устройства таким образом, что оно представляет локальную плотность среды в области датчика расхода.
В показанном здесь варианте выполнения изобретения, по меньшей мере, датчик расхода, в особенности, однако, также один из электронных модулей измерительного электронного блока, выполнен посредством встроенного в трубопровод измерительного устройства промышленного типа для текущих сред, например устройства, реализованного как компактное устройство. Встроенное в трубопровод измерительное устройство включает в себя, по меньшей мере, одну, по существу, жесткую и достаточно стойкую к воздействию давления несущую трубку, через которую во время работы протекает среда, подлежащая измерению, в частности несущую трубку, вставленную в трассу технологического трубопровода и, таким образом, образующую прямолинейный участок этого трубопровода. На несущей трубке и/или в ней надлежащим образом размещен фактический датчик расхода. В зависимости от варианта применения несущая трубка может быть изготовлена, например, из металла, пластмассы и/или керамики.
Датчик расхода предпочтительно выполнен компактным, встроенным в трубопровод измерительным устройством в форме вихревого расходомера, вставленного в трассу технологического трубопровода. Такие вихревые расходомеры традиционно служат для высокоточной регистрации, в качестве первичной физической измеряемой переменной, скорости потока и/или объемного расхода текущих сред, в частности сред с высокой температурой и/или высоким давлением.
На фиг.3а и 3b показан в разрезе вихревой расходомер, в одном случае - если смотреть на него в направлении потока (фиг.3а), а в другом случае - если смотреть на него в направлении, противоположном направлению потока (фиг.3b). Вихревой расходомер содержит вихревой датчик 30, прикрепленный к трубной стенке 21 несущей трубки 20, служащей в качестве прямолинейного участка технологического трубопровода. Вихревой датчик 30 выступает через расточенное отверстие 22, выполненное в стенке 21 трубки и служит в качестве датчика расхода в вышеупомянутом смысле. Вихревой датчик 30 может, например, представлять собой вихревой датчик с динамической компенсацией, оснащенный лопаткой, погруженной в среду, и емкостным преобразующим элементом, регистрирующим ее деформации, как это также описано в US-А 6,003,384.
Во внутренней части несущей трубки 20, которая сама вставлена в трубопровод, например, посредством соответствующих фланцевых соединений, кроме того, расположено вдоль одного из диаметров несущей трубки тело 40 необтекаемой формы, которое прочно соединено с несущей трубкой 20 в лежащих диаметрально напротив друг друга местах 41, 41* прикрепления. Центр расточенного отверстия 22 и центр места 41 прикрепления лежат на образующей несущей трубки 20. Тело 40 необтекаемой формы содержит поверхность 42 соударения, против которой во время работы течет среда, подлежащая измерению. В дополнение к этому тело 40 необтекаемой формы имеет две боковые поверхности, из которых на фиг.3а и 3b видимой является только обращенная к нам боковая поверхность 43. Поверхность 42 соударения и боковые поверхности образуют две разделительные кромки, из которых полностью видна на обоих видах только обращенная к нам разделительная кромка 44, в то время как место расположения задней разделительной кромки видно на фиг.3а. Тело 40 необтекаемой формы, показанное на фиг.3а и 3b, имеет здесь, по существу, форму прямого треугольного столбика, то есть перпендикулярного столбика треугольного поперечного сечения. Однако в случае необходимости, для реализации измерительной системы, согласно изобретению можно также применять тела необтекаемой формы, имеющие другую форму.
v
Поток среды против поверхности 42 соударения образует там известным способом ниже по течению от тела необтекаемой формы вихревую дорожку Кармана, в которой от каждой разделительной кромки попеременно отделяются завихрения и затем движутся вниз по течению в текущей среде. Эти завихрения, уносимые потоком, порождают, в свою очередь, локальные колебания давления в текущей среде, и их привязанная ко времени частота отделения, соответственно, их так называемая частота завихрений, является мерой для скорости потока и/или объемного расхода среды. Колебания давления, снимаемые с уносимых завихрений, затем преобразуются посредством вихревого датчика 30, образованного здесь посредством лопатки и размещенного ниже по течению от тела необтекаемой формы, в сигнал завихрения, соответствующий локальной скорости потока и служащий в качестве электрического сигнала (x) измерения расхода.
Преобразующий элемент 36 выдает вышеупомянутый сигнал измерения, частота которого пропорциональна объемному расходу текущей среды.
Вихревой датчик 30 вставлен ниже по течению от тела 40 необтекаемой формы в расточенное отверстие 22 в трубную стенку 21 несущей трубки 20 и герметизирует расточенное отверстие 22 против вытекания среды из внутренней части несущей трубки 20 на наружную поверхность несущей трубки 20, что достигается винтовым соединением вихревого датчика 30 со стенкой 21. Для этого служат, например, четыре винта, из которых винты 5, 6, 7 видны на фиг.3а и 3b. Части вихревого датчика, которые видны на фиг.3а и 3b, представляют собой клиновидную лопатку 31 датчика, выступающую через расточенное отверстие 22 в стенке 21 трубки во внутреннюю часть несущей трубки 20, и корпусной колпачок 32. Корпусной колпачок 32 заканчивается надставкой 322 с введением между ними имеющей тонкую стенку промежуточной части 323; в этой связи сравните также уже упоминавшийся US-А 6,003,384. Лопатка 31 датчика имеет главные поверхности, из которых на фиг.3а и 3b видна только главная поверхность 311. Главные поверхности выставлены по упомянутой образующей несущей трубки 20 и образуют переднюю кромку 313. Лопатка 31 датчика может также иметь и другие пространственные формы; так, например, она может иметь две параллельные главные поверхности, которые образуют две параллельные передние кромки. Лопатка 31 датчика короче, чем диаметр несущей трубки 20; она, кроме того, является жесткой к изгибу и может содержать, например, глухое отверстие, в которое может быть вставлен преобразующий элемент в форме термопары или термометра сопротивления, служащих для определения температуры среды, при необходимости, для генерирования сигнала измерения температуры и, следовательно, также для реализации самого места измерения температуры; в этой связи сравните также уже упоминавшиеся US-В 6,988,418 или US-В 6,910,387. Для того чтобы глухое отверстие 314 имело достаточный диаметр, от главных поверхностей выступают участки стенки, такой участок 315 стенки обозначен на фиг.3а. Глухое отверстие 314 доходит до места вблизи передней кромки 313 и имеет там дно.
Вихревому датчику 30, кроме того, принадлежит диафрагма 33, закрывающая расточенное отверстие 22 и имеющая первую поверхность 331, обращенную к среде, и вторую поверхность 332, обращенную в направлении от среды; смотри фиг.3 и 4. Лопатка 31 датчика присоединена к поверхности 331, в то время как элемент 36, преобразующий физический параметр в электрический сигнал и реагирующий на изгиб или перемещения лопатки 31, присоединен к поверхности 332. Лопатка 31 датчика, диафрагма 33, также как и ее кольцеобразная кромка 333, могут быть изготовлены из единого куска материала, например металла, в частности нержавеющей стали.
Здесь следует отметить, что вместо вихревого расходомера, показанного здесь в порядке примера, имеющего, по меньшей мере, одно тело необтекаемой формы, выступающее в просвет технологического трубопровода и погруженного в среду, и, по меньшей мере, один датчик расхода, расположенный ниже по течению от этого, по меньшей мере, одного тела необтекаемой формы, в частности, датчик расхода, выступающий, по меньшей мере частично, в просвет технологического трубопровода, можно для создания этого, по меньшей мере, одного датчика расхода, подающего упомянутый сигнал измерения расхода, а следовательно, для образования места измерения расхода, как таковой, использовать также и другие встроенные в трубопровод измерительные устройства, равным образом признанные в технологии автоматизации производственного процесса, примерами которых служат, например, магнитоиндуктивные расходомеры, тепловые расходомеры, устройства измерения расхода по перепаду давления, ультразвуковые расходомеры или тому подобное. Сам датчик расхода может в таком случае, который также обычен в случае таких измерительных устройств, и в зависимости от реализованного принципа измерения, быть образован посредством, по меньшей мере, элемента - электрического сопротивления, в частности элемента - сопротивления, через который протекает, по меньшей мере временно, нагревающий электрический ток; посредством, по меньшей мере, одного измерительного электрода, измеряющего электрические потенциалы, в частности измерительного электрода, контактирующего с текущей средой; посредством, по меньшей мере, одного измерительного конденсатора, реагирующего на изменения параметра потока; и/или посредством, по меньшей мере, одного пьезоэлектрического элемента и/или пьезорезистивного элемента. Датчик расхода может, особенно в случае когда для формирования датчика расхода применяют измерительный конденсатор и/или пьезоэлектрический или пьезорезистивный элемент, представлять собой датчик, который периодически подвергается во время работы механическим деформациям под действием среды, протекающей в измерительной системе для генерирования сигнала измерения, и/или который во время работы периодически перемещается по отношению к положению статического равновесия под действием среды, протекающей в измерительной трубке, что обычно и имеет место, за исключением вышеупомянутых встроенных в трубопровод измерительных устройств, измеряющих параметр потока на основе завихрений, уносимых в потоке с формированием вихревой дорожки Кармана, например, также и для таких встроенных в трубопровод измерительных устройств, которые измеряют параметры потока рассматриваемого вида на основе перепадов давления. Для последнего случая этот, по меньшей мере, один датчик расхода может быть образован, например, посредством, по меньшей мере, одного препятствия на пути потока, которое сужает поперечное сечение технологического трубопровода, в частности расходомерной диафрагмы или сопла, так же как и посредством, по меньшей мере, одного датчика перепада давления, который регистрирует перепад давления, возникающий на этом препятствии на пути потока и подает представляющий сигнал измерения перепада давления. Этот, по меньшей мере, один датчик перепада давления, в таком случае, может быть образован, например, частично посредством датчика давления, размещенного в месте измерения давления. В качестве альтернативы вышеупомянутым типам датчика или измерительного устройства этот, по меньшей мере, один датчик расхода может, кроме того, также быть выполнен в сочетании с прямолинейным участком технологического трубопровода, при этом вибрации такого прямолинейного участка, возбуждаемые активным образом извне посредством возбудителя колебаний и/или пассивным образом самой средой, обнаруживаются посредством, по меньшей мере, одного преобразующего элемента, регистрирующего, например, электродинамическим или оптоэлектронным способом механические колебания и подающего соответствующий сигнал колебания, таким образом, как это, как известно, имеет место, например, также в случае с кориолисовыми массовыми расходомерами. Имеющиеся на рынке кориолисовы массовые расходомеры обычно представляют собой встраиваемые в трубопровод измерительные устройства, предлагаемые в виде компактных измерительных устройств, в которых, по меньшей мере, одна измерительная трубка, оснащенная снаружи возбудителями колебаний и датчиками, вставлена посредством фланцев в трассу технологического трубопровода, образуя прямолинейный участок, вибрирующий, по меньшей мере временно, во время работы.
Применение измерительных систем со встроенным в трубопровод измерительным устройством вышеупомянутого вида позволяет, таким образом, в дополнение к виртуально измеряемой плотности равным образом определять с высокой точностью, при необходимости также в режиме реального времени, и другие измеряемые переменные, в частности массовый расход, объемный расход, скорость потока, вязкость, давление, температуру и/или тому подобное.
По меньшей мере, в случае применения также и датчика расхода, внутреннего по отношению к измерительной системе, имеется, кроме того, возможность также определять вышеупомянутый поправочный коэффициент (K) непосредственно, заранее, в частности, также в ходе "влажной" калибровки. Например, поправочный коэффициент (К) может быть очень просто выбран таким образом, что выполняется формула:
ρ
Ref
Ref
ρ
ρ
Ref
в которой ΔХρ соответствует отклонению, определяемому заранее, в частности, в ходе калибровки той же самой и/или, по существу, эквивалентной измерительной системы с известной эталонной средой и/или в ходе пуска измерительной системы в месте эксплуатации, например, рассчитываемому и/или измеряемому отклонению, относящемуся к конкретной измерительной системе, которое предварительное измеренное значение (Х′) плотности, определяемое для эталонной среды, заданной, по меньшей мере, в том, что касается ее фактической плотности (ρ), имеет от такой плотности (ρ) эталонной среды. В результате, ΔХρ может рассматриваться практически также как погрешность измерения, присущая измерительной системе, то есть погрешность измерения, которую предварительное измеренное значение (Х′) плотности, определяемое посредством самой измерительной системы, несет в себе в виртуальной точке измерения по сравнению с фактической плотностью. Зная предварительное измеренное значение (Х′) плотности, равно как также и фактическую плотность (ρ) эталонной среды, можно количественно определить эту погрешность измерения следующим образом:
так что поправочный коэффициент (K), в результате, должен быть выбран таким образом, чтобы он удовлетворял настолько точно, насколько это возможно, следующей формуле:
Однако в дополнение к этому, по меньшей мере в случае применения датчика расхода, внутреннего по отношению к измерительной системе, также вполне возможно определить поправочный коэффициент (K) экспериментально посредством эталонной измерительной системы и соответствующих эталонных сред и/или посредством компьютерного моделирования и, основываясь на нем, экстраполировать дальнейшие численные значения для поправочных коэффициентов (K) для других измерительных систем, аналогичных эталонной измерительной системе, и/или для других сред.
v
v
v
m
Измерительный электронный блок, применяя, по меньшей мере, сигнал измерения расхода, также определяет измеренное значение (X) скорости, в частности, цифровое измеренное значение (X) скорости, которое в виде мгновенного значения представляет скорость потока текущей среды, и/или измерительный электронный блок, применяя, по меньшей мере, сигнал измерения расхода, также определяет измеренное значение (X) объемного расхода, например, цифровое измеренное значение объемного расхода, которое в виде мгновенного значения представляет удельный объемный расход текущей среды. В качестве альтернативы этому или в дополнение к этому измерительный электронный блок, применяя, по меньшей мере, сигнал измерения температуры и сигнал измерения давления или измеренное значение плотности, так же как и сигнал измерения расхода или выведенное из него измеренное значение объемного расхода, может во время работы определить, кроме того, измеренное значение (X) массового расхода, например цифровое измеренное значение массового расхода, которое представляет в виде мгновенного значения удельный массовый расход или проинтегрированный, то есть просуммированный, массовый расход.
Для упрощения конструкции измерительной системы и наряду с этим для дальнейшего улучшения точности измеренного значения плотности датчик расхода в предпочтительном варианте может быть размещен таким образом, что, как предлагается, например, также в US-В 6,988,418 или US-В 6,910,387, по меньшей мере, место измерения расхода и место измерения температуры, или, как предлагается, например, также в US-В 7,007,556, по меньшей мере, место измерения расхода и место измерения давления, по меньшей мере частично, перекрывают друг друга, в частности являются совпадающими. Однако в качестве альтернативы место измерения расхода может, как это схематически показано на фигурах 1 и 2, также быть расположено на удалении от места измерения температуры и/или места измерения давления, например, выше по течению от места измерения температуры и/или выше по течению от места измерения давления.
Температурный датчик измерительной системы и/или датчик давления, как это предлагается, например, также в US-В 6,988,418, US-В 6,910,387 или US-В 6,651,512, аналогичным образом предоставляются посредством встроенного в трубопровод измерительного устройства, содержащего датчик расхода, например встроенного в трубопровод измерительного устройства в форме компактного измерительного устройства.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения виртуальное место измерения плотности и место измерения расхода выбираются таким образом, что среда имеет в виртуальном месте измерения плотности термодинамическое состояние, соответствующее термодинамическому состоянию среды в месте измерения скорости, и/или среда имеет в виртуальном месте измерения плотности и месте измерения скорости, по существу, равные числа Рейнольдса. Это может, например, быть достигнуто посредством такого задания виртуального места измерения плотности, что она и место измерения расхода, по меньшей мере, частично перекрывают друг друга, в частности, являются совпадающими. Соответственно, измеренное значение плотности должно определяться таким образом, чтобы оно точно представляло локальную плотность среды в области датчика расхода и, следовательно, также точно представляло локальную плотность среды в месте измерения скорости.
Для дальнейшего упрощения измерения другой вариант выполнения измерительной системы предусматривает, что технологический трубопровод представляет собой, по существу, прямолинейный трубопровод, таким образом, в нем нет колен или изгибов, по меньшей мере, на отдельных его участках, особенно в области между точкой измерения плотности и местом измерения давления и/или между местом измерения плотности и местом измерения температуры. Кроме того, технологический трубопровод должен быть реализован, по меньшей мере на отдельных своих участках, особенно в области места измерения температуры и/или в области места измерения давления, как трубопровод, по существу, устойчивый по форме, по меньшей мере, под действием рабочего давления, в частности жесткий трубопровод и/или трубопровод, имеющий круглое поперечное сечение.
Вышеупомянутое изменение осуществляется во время работы в значительной мере определенным образом за счет наделения технологического трубопровода, по меньшей мере в виртуальном месте измерения плотности, дополнительно внутренним диаметром (D1), отличающимся от внутреннего диаметра (D2) технологического трубопровода в месте измерения давления. Другой вариант выполнения изобретения дополнительно предусматривает, что технологический трубопровод имеет в виртуальном месте измерения плотности внутренний диаметр (D1), отличающийся от внутреннего диаметра (D3) технологического трубопровода в месте измерения температуры, и/или что внутренний диаметр (D2) технологического трубопровода в месте измерения давления отличается от внутреннего диаметра (D3) технологического трубопровода в месте измерения температуры. При подробном рассмотрении, таким образом, в результате имеется большое количество возможностей комбинирования в том, что касается расположения индивидуальных точек измерения относительно друг друга, равно как также и выбора внутреннего диаметра технологического трубопровода в конкретных местах измерения. Выбор особенно подходящих для этого вариантов выполнения, кроме того, также схематически показан на фигурах 4а, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f и 4h.
Как показано на фигурах, может быть предпочтительным реализовать измерительную систему таким образом, чтобы внутренний диаметр (D2) технологического трубопровода был больше в месте измерения давления, чем внутренний диаметр (D3) технологического трубопровода в месте измерения температуры, или, однако, также таким образом, чтобы внутренний диаметр (D3) технологического трубопровода в месте измерения температуры был больше, чем внутренний диаметр (D2) технологического трубопровода в месте измерения давления. В качестве альтернативы этому или в дополнение к этому внутренний диаметр (D2) технологического трубопровода в месте измерения давления может также быть выбран таким образом, чтобы он был больше, чем внутренний диаметр (D1) технологического трубопровода в виртуальном месте измерения плотности, и/или внутренний диаметр (D3) технологического трубопровода в месте измерения температуры может быть выбран таким образом, чтобы он был больше, чем внутренний диаметр (D1) в виртуальном месте измерения плотности. В частности, дополнительно предусматривается, что отношение (D3/D1) внутренних диаметров: внутреннего диаметра (D3) технологического трубопровода в месте измерения температуры к внутреннему диаметру (D1) технологического трубопровода в виртуальном месте измерения плотности, больше чем 1,1 и/или меньше чем 5, например, соответственно, лежит в диапазоне от 1,2 до 3,1. Кроме того, по меньшей мере для этого случая предпочтительно, когда технологический трубопровод в виртуальном месте измерения плотности имеет внутренний диаметр (D1), который, по существу, равен внутреннему диаметру (D2) технологического трубопровода в месте измерения температуры. В другом варианте выполнения изобретения предусматривается, что отношение (D2/D1) внутренних диаметров: внутреннего диаметра (D2) технологического трубопровода в месте измерения давления к внутреннему диаметру (D1) технологического трубопровода в виртуальном месте измерения плотности, поддерживается большим чем 1,1 и/или меньшим чем 5, например, соответственно, лежит в диапазоне от 1,2 до 3,1. Для этого случая, в свою очередь, предпочтительно, когда технологический трубопровод в виртуальном месте измерения плотности имеет внутренний диаметр (D1), который, по существу, равен внутреннему диаметру (D3) технологического трубопровода в месте измерения температуры.
Различия между внутренними диаметрами (D1), (D2), (D3) соответственно могут, в зависимости от требуемой конфигурации, быть реализованы посредством снабжения технологического трубопровода между, по меньшей мере, двумя из вышеупомянутых мест измерения, например, соответственно, между виртуальным местом измерения плотности и местом измерения температуры и/или местом измерения давления, или также между местом измерения температуры и местом измерения давления, прямолинейным участком, реализованным как диффузор, в частности воронкообразный диффузор, имеющий просвет, расширяющийся в направлении потока, в частности непрерывно расширяющийся в направлении потока, или прямолинейным участком, который выполнен как сопло, в частности воронкообразное сопло, имеющее просвет, сужающееся в направлении потока, в частности непрерывно сужающееся в направлении потока.
Кроме того, экспериментальные исследования показали, что места измерения в предпочтительном варианте выполнения должны быть размещены или заданы таким образом, чтобы расстояние (L21), на которое место измерения давления отстоит от виртуального места измерения плотности, отличалось от расстояния (L31), на которое место измерения температуры отстоит от виртуального места измерения плотности. Например, для измерения может быть весьма предпочтительным, когда расстояние (L21), на которое место измерения давления отстоит от виртуального места измерения плотности, больше, чем расстояние (L31), на которое место измерения температуры отстоит от виртуального места измерения плотности, и/или когда расстояние (L21), на которое место измерения давления отстоит от виртуального места измерения плотности, и/или расстояния (L23), на которое место измерения давления отстоит от места измерения температуры, больше чем внутренний диаметр (D2) технологического трубопровода в месте измерения давления. Вполне пригодными в таком случае признаны расстояние (L21) и/или расстояние (L23), составляющие, по меньшей мере трехкратный, в частности, более чем пятикратный внутренний диаметр (D2).
По вопросам дополнительной информации для компоновки и определения размеров технологического трубопровода измерительной системы касательно вышеупомянутых установочных длин и/или отношений внутренних диаметров, в случае применения редукционного элемента и/или диффузора, равно как также и других вариантов выполнения технологического трубопровода выше по течению от датчика расхода и/или ниже по течению от датчика расхода настоящим дается прямая ссылка на предварительно не публиковавшиеся заявки DE 102006034296.8 и 102006047815.0 правообладателя по данному изобретению, или на аналогичные им заявки, причем соответствующие раскрытые в этих заявках изобретения должны, таким образом, рассматриваться как принадлежащие настоящей заявке.
Дальнейшие исследования с измерительными системами согласно изобретению дополнительно показали для вариантов расположения точек измерения температуры, давления и плотности, показанных на фигурах 4а, 4b, 4c, 4d, относительно друг друга, так же как в отношении вышеупомянутых отношений внутренних диаметров, что значение коррекции плотности, определенное для них, по меньшей мере, в соответствии с формулой (4) и используемое для определения измеренного значения плотности в соответствии с формулой (1) или (2) должно всегда быть больше чем единица; в противном случае, как уже упоминалось, была бы получена работающая со сбоями измерительная система или нарушение в работе предприятия. Равным образом, для комбинаций, показанных на фигурах 4е, 4f, 4g и 4h, значение коррекции плотности, при условии что применяются те же самые расчетные формулы, должно всегда быть меньше чем единица.
2
-2
В таблице 1 приведены комбинации в отношении внутренних диаметров (D1), (D2), (D3), в каждом случае в единицах измерения - мм, и выбранные в качестве среды газы, так же как, в каждом случае, соответствующим образом подходящий поправочный коэффициент (K) в единицах измерения K·с·м, особенно подходящий для измерительной системы с датчиком расхода в соответствии с примером варианта выполнения, показанным на фиг.2 и 3.