СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING DIFFERENTIAL DENSITY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к расходомерам и, в частности, к способу и устройству для определения качества топлива и системной эффективности посредством измерений дифференциальной плотности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Вибрационные датчики, такие как, например, вибрационные денситометры и расходомеры Кориолиса, являются общеизвестными и используются для измерения массового расхода и для получения другой информации о материалах, текущих через трубопровод в расходомере. Примерные расходомеры Кориолиса раскрыты в Патенте США 4,109,524, Патенте США 4,491,025, и Re. 31,450, все от J.E.Smith и др. Эти расходомеры имеет один или несколько трубопроводов прямой или изогнутой конфигурации. Каждая конфигурация трубопровода в массовом расходомере Кориолиса, например, имеет набор собственных колебательных мод, которые могут быть простыми изгибными модами, крутильными модами, или модами смешанного типа. В каждом трубопроводе могут возбуждаться колебания на предпочтительной моде.
Некоторые типы массовых расходомеров, особенно расходомеры Кориолиса, могут действовать таким образом, что они имеют возможность выполнять непосредственное измерение плотности, чтобы предоставить информацию об объеме посредством отношения массы к плотности. См., например, Патент США No.4,872,351 от Ruesch для компьютера нефтяной сети, который использует расходомер Кориолиса для измерения плотности неизвестной многофазной текучей среды. Патент США No.5,687,100 от Buttler и др. предлагает денситометр на эффекте Кориолиса, который корректирует считывания плотности для эффектов массового расхода в массовом расходомере, действующем как денситометр с колеблющимся трубопроводом.
Материал втекает в расходомер из присоединенного магистрального трубопровода на впускной стороне расходомера, направляется через трубопровод(-ы), и выходит из расходомера через выпускную сторону расходомера. Собственные колебательные моды колеблющейся системы задаются, в том числе, комбинированной массой трубопроводов и материала, текущего в пределах трубопроводов.
Когда поток через расходомер отсутствует, приводная сила, приложенная к трубопроводу(-ам), заставляет все точки вдоль трубопровода(-ов) колебаться с идентичной фазой, или с малым "смещением нуля", которое является запаздыванием, измеренным при нулевом расходе. Как только материал начинает течь через расходомер, силы Кориолиса приводят к тому, что каждая точка вдоль трубопровода(-ов) имеет различную фазу. Например, фаза на впускном конце расходомера отстает от фазы в центрированном положении привода, тогда как фаза на выпуске опережает фазу в центрированном положении привода. Тензометрические датчики на трубопроводе(-ах) производят синусоидальные сигналы, отображающие перемещение трубопровода(-ов). Выводимые от тензометрических датчиков сигналы обрабатываются для определения временной задержки между тензометрическими датчиками. Время задержки между двумя или более тензометрическими датчиками пропорционально массовому расходу материала, текущего через трубопровод(-ы).
Электронный измеритель, соединенный с приводом, создает приводной сигнал для управления приводом и для определения массового расхода и других свойств технологического материала по сигналам, принятым от тензометрических датчиков. Привод может содержать одну из многих известных конструкций; однако, магнит и противостоящая приводная индукционная катушка чаще всего используются в производстве расходомеров. Переменный ток поступает на приводную индукционную катушку для возбуждения колебаний трубопровода(-ов) при желаемой амплитуде и частоте колебаний расходомерного трубопровода. Также в данной области техники известно, что тензометрические датчики могут быть выполнены в виде конструкции магнита и индукционной катушки, вполне подобной конструкции привода. Однако, тогда как привод принимает ток, который вызывает движение, тензометрические датчики могут использовать это обеспечиваемое приводом движение для получения электрического напряжения. Величина временной задержки, измеряемой тензометрическими датчиками, очень мала; часто измеряется в наносекундах. Поэтому, необходимо, чтобы выходной сигнал преобразователя был определен очень точно.
Вообще говоря, расходомер Кориолиса может быть изначально откалиброван, и может быть создан калибровочный коэффициент расхода, наряду со смещением нуля. При эксплуатации, калибровочный коэффициент расхода может быть умножен на время задержки, измеренное тензометрическими датчиками, минус смещение нуля, для получения массового расхода. В большинстве ситуаций, расходомер калибруется изначально, обычно изготовителем, и предполагается, что он обеспечивает точные измерения без необходимости в последующих калибровках. Кроме того, подход техники предшествующего уровня предполагает калибровку нуля расходомера пользователем после установки, останавливая поток, перекрывая клапаны и, таким образом, предоставляя в технологических условиях измеритель с нулевым расходом как эталон.
Вибрационные датчики, включающие в себя расходомеры Кориолиса, часто используются в больших двигательных системах, которые применяются на морских судах. Для таких судов, надлежащее управление подачей топлива является критическим для эффективной работы двигательной системы. Управление подачей топлива обычно начинается с заправки, или загрузки топлива в порту. Именно в этот момент загрузки топлива на судно и измеряется его количество. Однако, качество топлива в этот момент не известно. Качество топлива определяется при посылке образцов в лабораторию, где могут быть определены вязкость, плотность, и состав. К сожалению, этот процесс часто занимает несколько дней, и возникающие вопросы качества проясняются обычно только после того, как судно оставило порт и находится далеко в море. Кроме того, даже если качество топлива удовлетворяет данному набору стандартов, проблемы в топливной системе могут быть привнесены загрязнителями, например, водой в топливной системе, что составляет проблему.
Поэтому, в данной области техники имеется потребность в способе и соответственном устройстве для определения качественных параметров топлива. Имеется потребность в способе и соответственном устройстве для определения плотности топлива перед вводом в двигатель, и после его выхода из двигателя. Имеется потребность в обнаружении потенциального содержания воды в топливе. Настоящее изобретение преодолевает эти и другие проблемы, и достигается усовершенствование в данной области техники.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
t
t
В соответствии с вариантом осуществления предложен способ управления двигательной системой, содержащей двигатель, сконфигурированный для потребления топлива, и имеющей, по меньшей мере, два расходомера. Вариант осуществления содержит этапы: управления двигателем, расположенного между расходомером со стороны питания, из, по меньшей мере, двух расходомеров, и расходомером со стороны возврата, из, по меньшей мере, двух расходомеров; измерения первой плотности топлива в расходомере со стороны питания и второй плотности топлива в расходомере со стороны возврата; сравнение измерений плотности топлива между расходомером со стороны питания и расходомером со стороны возврата; определения измеренного значения дифференциальной плотности, Δρ, на основании разности между второй плотностью топлива и первой плотностью топлива; сравнения Δρ с диапазоном теоретических значений дифференциальной плотности топлива, Δρ; и индикации потенциального загрязнения топлива, если Δρ находится вне диапазона значений Δρ на заданное пороговое значение.
t
t
В соответствии с вариантом осуществления предоставляется электронный измеритель для расходомеров, включающий в себя систему обработки, соединенную с системой, имеющей двигатель. Вариант осуществления сконфигурирован для: приема сигналов датчика и от расходомера со стороны питания, и от расходомера со стороны возврата; определения измеренного значения дифференциальной плотности, Δρ, между расходомером со стороны питания и расходомером со стороны возврата на основании принятых сигналов датчика; сравнения значения Δρ с диапазоном теоретических значений дифференциальной плотности топлива, Δρ; и сохранения сравнения значения Δρ с диапазоном значений Δρ в электронном измерителе.
ОБЪЕКТЫ
t
t
В соответствии с объектом, предложен способ управления двигательной системой, содержащей двигатель, сконфигурированный для потребления топлива и имеющий, по меньшей мере, два расходомера. Объект содержит этапы: управления двигателем, расположенным между расходомером со стороны питании, из, по меньшей мере, двух расходомеров, и расходомером со стороны возврата, из, по меньшей мере, двух расходомеров; измерения первой плотности топлива в расходомере со стороны питания и второй плотности топлива в расходомере со стороны возврата; сравнения измерений плотности топлива между расходомером со стороны питания и расходомером со стороны возврата; определения измеренного значения дифференциальной плотности, Δρ, на основании разности между второй плотностью топлива и первой плотностью топлива; сравнения значения Δρ с диапазоном теоретических значений дифференциальной плотности топлива, Δρ; и индикации потенциального загрязнения топлива, если значение Δρ находится вне диапазона значений Δρ на заданное пороговое значение.
Предпочтительно, способ содержит этап сохранения значения Δρ в электронном измерителе.
t
t
Предпочтительно, этап индикации потенциального загрязнения топлива, если значение Δρ находится вне диапазона значений Δρ на заданное пороговое значение, содержит индикацию водного загрязнения топлива, если значение Δρ превышает диапазона значений Δρ на заданное пороговое значение.
Предпочтительно, способ содержит этапы приема значения сигнала датчика температуры от расходомера со стороны питания; приема значения сигнала датчика температуры от расходомера со стороны возврата; и регулировки первого измерения плотности топлива и второго измерения плотности топлива для компенсации температуры расходомера со стороны питания и температуры расходомера со стороны возврата, соответственно.
Предпочтительно, способ содержит этапы приема значения сигнала датчика температуры от датчика температуры, внешнего для расходомера со стороны питания и расходомера со стороны возврата; и регулировки первого измерения плотности топлива и второго измерения плотности топлива для компенсации значения сигнала датчика температуры.
t
Предпочтительно, способ содержит этап запуска аварийной сигнализации, если значение Δρ находится вне диапазона значений Δρ на заданное пороговое значение.
Предпочтительно, способ содержит этапы измерения расхода топлива в расходомере со стороны питания и расхода топлива в расходомере со стороны возврата, в то время как двигатель работает; вычисления потребления топлива двигателем, сравнивая расход топлива в расходомере со стороны возврата с расходом топлива в расходомере со стороны питания; и индикации измерения потребления топлива.
t
t
В соответствии с объектом, предоставляется электронный измеритель для расходомеров, включающий в себя систему обработки, соединенную с системой, имеющей двигатель. Электронный измеритель сконфигурирован для приема сигналов датчика и от расходомера со стороны питания, и от расходомер со стороны возврата; определения измеренного значения дифференциальной плотности, Δρ, между расходомером со стороны питания и расходомером со стороны возврата на основании принятых сигналов датчика; сравнения значения Δρ с диапазоном теоретических значений дифференциальной плотности топлива, Δρ; и сохранения сравнения значения Δρ с диапазоном значений Δρ в электронном измерителе.
t
Предпочтительно, система обработки сконфигурирована для индикации потенциального загрязнения, если значение Δρ находится вне диапазона значений Δρ на заданное пороговое значение.
t
Предпочтительно, система обработки сконфигурирована для индикации потенциального водного загрязнения, если значение Δρ превышает диапазон значений Δρ на заданное пороговое значение.
Предпочтительно, расходомеры находятся соединении посредством текучей среды с системой водной эмульсии.
Предпочтительно, система обработки сконфигурирована для: определения температуры расходомера со стороны питания; определения температуры расходомера со стороны возврата; и вывода измерения отрегулированного потребления текучей среды, которое откорректировано для рабочей температуры.
Предпочтительно, система обработки сконфигурирована для: определения температуры, внешней для расходомера со стороны питания и для расходомера со стороны возврата; и вывода измерения отрегулированного потребления текучей среды, которое откорректировано для температуры, внешней для расходомера со стороны питания и для расходомера со стороны возврата.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает сборку вибрационного датчика из уровня техники;
Фиг.2 - топливная система из уровня техники;
Фиг.3 - электронный измеритель в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
Фиг.4 - график, иллюстрирующий измеренную плотность топлива в топливной системе в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг.5 - блок-схема последовательности операций, описывающая способ управления двигательной системой в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг.6 - блок-схема последовательности операций, описывающая другой способ управления двигательной системой в соответствии с вариантом осуществления; и
Фиг.7 - блок-схема последовательности операций, описывающая еще один способ управления двигательной системой в соответствии с вариантом осуществления.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Чертежи на Фиг.1-7 и нижеследующее описание демонстрируют конкретные примеры для пояснения специалистам в данной области техники того, как реализовать и использовать наилучший вариант осуществления. С целью пояснения принципов изобретения, некоторые обычные объекты были упрощены или исключены. Специалистам в данной области техники будут очевидны возможные вариации этих примеров, которые находятся в пределах объема притязаний изобретения. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что описанные ниже признаки могут быть различным образом скомбинированы, образуя множественные вариации изобретения. Таким образом, изобретение не ограничивается описанными ниже конкретными примерами, но только пп. формулы и их эквивалентами.
На Фиг.1 показан пример расходомера 5 в форме расходомера Кориолиса, содержащего сборку 10 датчика и один или несколько электронных измерителей 20. Один или несколько электронных измерителей 20 соединяются со сборкой 10 датчика для измерения параметра текущего материала, такого как, например, плотность, массовый расход, объемный расход, суммарный массовый расход, температура, и для получения другой информации.
Сборка 10 датчика включает в себя пару фланцев 101 и 101', манифольды 102 и 102', и трубопроводы 103 и 103'. Манифольды 102, 102' прикреплены к противоположным концам трубопроводов 103, 103'. Фланцы 101 и 101' данного примера присоединены к манифольдам 102 и 102'. Манифольды 102 и 102' данного примера прикреплены к противоположным концам проставки 106. Проставка 106 поддерживает интервал между манифольдами 102 и 102', в данном примере для предотвращения нежелательных колебаний в трубопроводах 103 и 103'. Трубопроводы 103 и 103' вытянуты в сторону от манифольдов по существу параллельным образом. Когда сборка 10 датчика вставляется в систему магистрального трубопровода (не показана), которая транспортирует текучий материал, то материал входит в сборку 10 датчика через фланец 101, проходит через впускной манифольд 102, где общее количество материала направляется в трубопроводы 103 и 103', протекает через трубопроводы 103 и 103', и назад, в выпускной манифольд 102', где он выходит из сборки 10 датчика через фланец 101'.
Сборка 10 датчика включает в себя привод 104. Привод 104 прикреплен к трубопроводам 103 и 103' в положении, где привод 104 может возбуждать колебания трубопроводов 103, 103' на приводной моде. Более конкретно, привод 104 включает в себя первый компонент привода (не показан), прикрепленный к трубопроводу 103, и второй компонент привода (не показан), прикрепленный к трубопроводу 103'. Привод 104 может содержать одну из многих известных конструкций, например, магнит, установленный на трубопроводе 103, и противостоящую индукционную катушку, установленную на трубопроводе 103'.
В данном примере, приводная мода представляет собой первую несинфазную изгибную моду, и трубопроводы 103 и 103' предпочтительно выбраны и соответственно установлены на впускном манифольде 102 и выпускном манифольде 102' так, чтобы обеспечить сбалансированную систему, имеющую по существу одно и то же массовое распределение, моменты инерции, и упругие модули относительно изгибных осей W-W и W'-W', соответственно. В данном примере, где приводная мода представляет собой первую несинфазную изгибную моду, трубопроводы 103 и 103' приводятся в движение приводом 104 в противоположных направлениях относительно их соответствующих изгибных осей W-W и W'-W'. Приводной сигнал в виде переменного тока может быть предоставлен одним или несколькими электронными измерителями 20, например, по кабельному каналу 110, и пропущен через индукционную катушку, приводя к осцилляциям обоих трубопроводов 103, 103 изгибных. Специалисты в данной области техники увидят, что могут быть использованы другие приводные моды в пределах объема притязаний настоящего изобретения.
Показанная сборка 10 датчика включает в себя пару тензометрических датчиков 105, 105', которые прикреплены к трубопроводам 103A, 103B. Более конкретно, первый тензометрический компонент (не показан) располагается на трубопроводе 103, и второй тензометрический компонент (не показан) располагается на трубопроводе 103'. В изображенном варианте осуществления, тензометрические датчики 105, 105' могут быть электромагнитными детекторами, например, тензометрическими магнитами и тензометрическими индукционными катушками, которые производят тензометрические сигналы, отображающие скорость и положение трубопроводов 103, 103'. Например, тензометрические датчики 105, 105' могут подавать тензометрические сигналы на один или несколько электронных измерителей через кабельные каналы 111, 111'. Специалисты в данной области техники понимают, что движение трубопроводов 103, 103' пропорционально определенным параметрам текущего материала, например, массовому расходу и плотности материала, текущего через трубопроводы 103, 103'.
Следует отметить, что хотя описанная выше сборка 10 датчика содержит расходомер с двойным расходомерным трубопроводом, в пределах объема притязаний настоящего изобретения также и вариант расходомера с единственным трубопроводом. Кроме того, хотя расходомерные трубопроводы 103, 103' показаны как содержащие расходомерные трубопроводы изогнутой конфигурации, настоящее изобретение может быть осуществлено с расходомером, содержащим расходомерные трубопроводы прямой конфигурации. Следует также отметить, что тензометрические датчики 105, 105' могут содержать механические датчики деформации, оптические датчики, лазерные датчики, или какие-либо другие датчики, известные в данной области техники. Поэтому, описанный выше конкретный вариант осуществления сборки 10 датчика - это просто один из примеров и он никоим образом не должен ограничивать объем притязаний настоящего изобретения.
В показанном на Фиг.1 примере, один или несколько электронных измерителей 20 принимают тензометрические сигналы от тензометрических датчиков 105, 105'. Канал 26 предоставляет входное и выходное средство, которое позволяет один или несколько электронных измерителей 20 связать с оператором. Один или несколько электронных измерителей 20 измеряют параметр текущего материала, например, разность фаз, частоту, временную задержку, плотность, массовый расход, объемный расход, суммарный массовый расход, температуру, выполняют проверку измерителя, и предоставляют другую информацию. Более конкретно, один или несколько электронных измерителей 20 принимают один или несколько сигналов, например, от тензометрических датчиков 105, 105', и от одного или нескольких температурных датчиков 107, например, от резистивного температурного устройства (RTD), и используют эту информацию для измерения параметра текущего материала. Температурные датчики 107 могут находиться на расходомерах 214, 216, или могут быть размещены как внешние относительно расходомеров 214, 216.
Методики, с которыми сборки вибрационного датчика, например, расходомеры Кориолиса или денситометры, измеряют параметр текущего материала, хорошо известны; поэтому, подробное рассмотрение этого опущено для краткости данного описания. Однако, если кратко пояснить, то плотность неизвестной текучей среды, текущей через колеблющейся расходомерный трубопровод, пропорциональна квадрату периода, при котором резонирует трубопровод. В Патенте США. No.4,491,009 от Ruesch, описана схема, которая рассчитывает плотность посредством использования двух последовательно соединенных интеграторов. Опорное напряжение подается на первый интегратор. Поскольку упругая постоянная каждого расходомерного трубопровода изменяется с температурой и, тем самым, изменяется резонансная частота, опорное напряжение соответственно компенсирует температурные вариации трубопровода. Оба интегратора работают в течение времени, эквивалентного квадрату резонансного периода. Таким образом, выходной сигнал, создаваемый аналоговой схемой, предоставляет произведение температурно-зависимой функции и квадрата значения резонансного периода. При соответствующем масштабировании опорного напряжения, выходной аналоговый сигнал обеспечивает непосредственное считывание измерений плотности (в единицах удельной массы) неизвестной текучей среды, текущей через расходомерный трубопровод. Следует отметить, что это просто один из примеров измерения плотности в технике предшествующего уровня, выполняемого с вибрационным измерителем, и он никоим образом не означает ограничение объема притязаний настоящего изобретения.
На Фиг.2 показана топливная система 200 в соответствии с вариантом осуществления. Система 200 показана как типичная судовая топливная система. Топливо сохраняется в основных баках 202, 204. В одном примере варианта осуществления тяжелое нефтетопливо (HFO) сохраняется в первом основном баке 202, и судовое дизельное топливо (MDO) сохраняется во втором основном баке 204. Основные баки 202, 204 питают суточный бак 206 через топливные линии 203 и 205, соответственно. Это является просто примером, и должно быть ясно, что могут использоваться больше чем два основных бака, или может использоваться только один основной бак. Кроме того, HFO и MDO - это просто примеры топлива, которое может быть использовано, и в рамках вариантов осуществления может быть использовано любое топливо. Суточный бак 206 обычно выбирается по размеру так, чтобы хранить ограниченное количество топлива в целях безопасности и предотвращения загрязнения. Суточный бак 206 предотвращает хранение чрезмерного количества топлива в такой зоне, как машинное отделение судна, для минимизации риска взрыва или пожара. Если должен присутствовать огонь, то ограниченная доступность топлива способствует снижению риска связанных с огнем происшествий. Кроме того, суточный бак 206 принимает топливо, которое было предоставлено на двигатель 208, но при этом не использовалось, и, таким образом, возвратное топливо направляется назад на суточный бак через возвратную топливную линию 207. В некоторых системах 200, может присутствовать система 224 водной эмульсии для введения воды в топливо в целях уменьшения выбросов.
Во время работы, топливо обычно рециркулируется от суточного бака 206 на двигатель 208 или на другое потребляющее топливо устройство, и, независимо от того, потребляется ли топливо, перетекает назад на суточный бак 206 в замкнутом контуре 218. Если уровень топлива суточного бака 206 становится низким, топливо от основного бака 202, 204 пополняет суточный бак 206. Насос 210 обеспечивает действие, необходимое для перекачки топлива от суточного бака 206 на двигатель 208, и назад. Действующий в линии предварительный подогреватель 212 нагревает топливо до температуры, которая является идеальной для топлива, используемого двигателем 208. Например, рабочая температура HFO находится обычно в интервале приблизительно 120-150°C, тогда как MDO/MFO идеально в интервале 30-50°C. Соответствующая температура для конкретного топлива позволяет контролировать вязкость топлива и поддерживать ее в идеальных пределах. Кинематическая вязкость топлива - это мера текучести при определенной температуре. Поскольку вязкость топлива уменьшается с увеличением температуры, то вязкость в момент, когда топливо выходит из топливных инжекторов двигателя (не показано) должна быть в пределах, диктуемых изготовителем двигателя, чтобы создать оптимальную картину распыла топлива. Вязкости, которые отклоняются от спецификаций, приводят к нестандартному сгоранию, потерям мощности, и потенциально приводят к образованию осадка. Предварительный подогреватель 212, при правильной его установке для конкретного используемого топлива, позволяет получить оптимальную вязкость.
Для измерения параметров потока, например, массового расхода, в варианте осуществления используются поточные расходомеры. Расходомер 214 со стороны питания располагается по ходу выше двигателя 208, тогда как расходомер 216 со стороны возврата располагается по ходу ниже двигателя 208. Поскольку двигатель 208 не использует все топливо, предоставляемое на двигатель в общей распределительной топливной системе (не показана), избыточное топливо, например, рециркулируется через суточный бак 206 и замкнутый контур 218. Поэтому, единственный расходомер не обеспечил бы точные измерения расхода, особенно в случае потребления топлива двигателем, и, таким образом, требуется и расходомер 214 со стороны питания, и расходомер 216 со стороны возврата (по ходу выше и по ходу ниже двигателя 208, соответственно). Различие в расходах, измеренных расходомерами 214, 216, по существу равно расходу топлива, потребляемого двигателем 208. Поэтому, различие измеренных расходов между расходомерами 214, 216 - это значение, представляющее интерес в большинстве приложений, подобных конфигурации, показанной на Фиг.2. Следует отметить, однако, что обычная распределительная топливная система служит только примером, и не ограничивает объем притязаний заявляемого изобретения. Другие топливные системы, в которых топливо возвращается, и/или рециркулирует, также предполагаются. Следует также отметить, что хотя система 200 показана только с одним топливным выпуском 222 и двумя расходомерами 214, 216, в некоторых вариантах осуществления могут быть множественные топливные выпуски и более чем два расходомера.
При управлении большими двигателями, знание условий впуска и выпуска системы является критическим и для эффективности, и для характеристик топливной системы 200. Большинство таких систем 200, подобных показанной на Фиг.2, имеет систему подготовки топлива, включающую в себя предварительный нагреватель 212, который используется для получения топлива с определенной вязкостью, температурой, и консистенцией, прежде чем оно попадет в двигатель 208. Правильное состояние топлива может существенно влиять на работу двигателя. Вискозиметр 213 ниже по ходу относительно предварительного нагревателя 212 измеряет вязкость топлива, и в некоторых вариантах осуществления может быть связан с предварительным нагревателем 212 для регулировки температуры предварительного нагревателя, так, чтобы топливо оставалось в пределах заданного диапазона вязкости. В настоящее время, системы контроля топлива почти исключительно ставятся на впускной стороне двигателя, и мало делается для контроля состояния топлива после его прохождения через двигатель. Было установлено, что изменение состояния топлива после двигателя является индикацией качества топлива или работы двигателя.
В соответствии с вариантом осуществления, состояния двигателя контролируются посредством анализа плотности топлива до и после двигателя 208, поскольку любые изменения могут означать потенциальную проблему в системе, такую как проблемы качества топлива и работы двигателя. Расходомер 214 со стороны питания измеряет плотность топлива до двигателя 208, и расходомер 216 со стороны возврата измеряет плотность топлива после двигателя 208.
На Фиг.3 показан электронный измеритель 20 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Электронный измеритель 20 может включать в себя интерфейс 301 и систему 303 обработки. Система 303 обработки может включать в себя систему 304 памяти. Система 304 памяти может содержать внутреннюю память, и/или может содержать внешнюю память. Электронный измеритель 20 может создавать сигнал 311 привода и подавать сигнал 311 привода на привод 104. Кроме того, электронный измеритель 20 может принимать сигналы 310 датчика от расходомеров 214, 216, такие как тензометрические сигналы/сигналы скорости датчика, сигналы механических напряжений, оптические сигналы, температурные сигналы или любые другие сигналы, известные в данной области техники. Электронный измеритель 20 может работать как денситометр или может работать как массовый расходомер, включая работу в качестве расходомера Кориолиса. Следует отметить, что электронный измеритель 20 может также работать как некоторый другой тип сборки вибрационного датчика, и конкретные предоставленные примеры не должны ограничивать объем притязаний настоящего изобретения. Электронный измеритель 20 может обрабатывать сигналы 310 датчика для получения параметров материала, текущего через расходомерные трубопроводы 103, 103'. В некоторых вариантах осуществления, электронный измеритель 20 может принимать температурный сигнал 312 от одного или нескольких датчиков RTD или других температурных датчиков 107, например.
Интерфейс 301 может принимать сигналы 310 датчика от привода 104 или от тензометрических датчиков 105, 105' через кабельные соединения 110, 111, 111'. Интерфейс 301 может выполнить любое необходимое или желаемое формирование сигнала, такое как форматирование, усиление, буферизацию, и т.д. Альтернативно, некоторые или все формирования сигнала могут быть выполнены в системе 303 обработки. Кроме того, интерфейс 301 может иметь возможность связи между электронным измерителем 20 и внешними устройствами. Интерфейс 301 может иметь возможность любой электронной, оптической, или беспроводной связи.
Интерфейс 301 в одном варианте осуществления может включать в себя дискретизатор 302, причем сигнал датчика содержит аналоговый сигнал датчика. Дискретизатор 302 может дискретизировать и оцифровывать аналоговый сигнал датчика и производить цифровой сигнал датчика. Дискретизатор 302 может также выполнять любое необходимое прореживание, причем цифровой сигнал датчика прореживается для сокращения количества необходимой обработки сигналов и сокращения времени обработки.
Система 303 обработки может управлять работой электронных измерителей 20 и обрабатывать измерения расхода от сборки 10 датчика. Система 303 обработки может выполнять одну или несколько подпрограмм обработки, такую как подпрограмма 313 дифференциальной плотности, подпрограмма 314 дифференциального нуля, общая рабочая подпрограмма 315, и подпрограмма 316 сигнала о типе топлива, и, тем самым, обрабатывать измерения расхода для получения одного или нескольких измерений расхода, которые, в конечном счете, используются для вычисления потребления топлива топливной системой 200 и для вычисления значений 319 измерения дифференциальной плотности, а также для других необходимых вычислений.
В соответствии с вариантом осуществления, электронный измеритель 20 может быть сконфигурирован для измерения расхода с помощью расходомера 214 со стороны питания и расходомера 216 со стороны возврата, как часть подпрограммы 313 дифференциальной плотности. В соответствии с вариантом осуществления, электронный измеритель 20 может также измерять и сохранять температурный сигнал 312, и сопоставлять температуру с расходами, зафиксированными при этой температуре.
Как пример подпрограммы 313 дифференциальной плотности, система 200 может включать в себя расходомер 214 со стороны питания и расходомер 216 со стороны возврата, каждый из которых имеет (или совместно использует) электронный измеритель 20. Электронные измерители, если они не используются совместно, могут взаимодействовать между собой через межкомпонентное соединение 220. И расходомер 214 со стороны питания, и расходомер 216 со стороны возврата могут создавать плотность 317. Измеренное значение 319 дифференциальной плотности, Δρ, вычисляется, используя плотности 317 от расходомера 214 со стороны питания и расходомера 216 со стороны возврата как часть подпрограммы 313 дифференциальной плотности. Массовый расход 318 или плотность 317 могут быть вычислены, например, как часть рабочей подпрограммы 315. В одном варианте осуществления рабочей подпрограммы 315, расход со стороны возврата вычитается из расхода со стороны питания, тем самым, предоставляя измерение потребления топлива. Электронный измеритель 20 вычитает два абсолютных сигнала расхода для производства дифференциального выходного сигнала, и дополнительно учитывает любые задержки обработки сигналов между измерителями.
точно
В варианте осуществления температурный сигнал 312 считывается, и различие в нулевых расходах потребления между расходомером 216 со стороны возврата и расходомером 214 со стороны питания также сохраняется и вычисляется как часть подпрограммы 314 дифференциального нуля. Дифференциальный нуль улучшает вычисление дифференциального расхода, которое выполняется между двумя измерителями, поскольку он смягчает температурные эффекты между измерителями. Это устраняет необходимость выполнения процедур обнуления до работы. В рабочем примере, если двигатель выключен, то все же имеется поток через оба расходомера 214, 216 - например, 1000 кг/час. Вероятно, что каждый из измерителей не будет считывать 1000 кг/час. Вместо этого, один может считать 999 кг/час, а другой - 1001 кг/час, так, что пользователь будет видеть измерение потребления (или вырабатывания) 2 кг/час, когда двигатель выключен. Эта ошибка 2 кг/час, при длительных периодах работы означает большие несоответствия. Поэтому, при конкретной температуре, дифференциальный нуль на 2 кг/час используется в общей рабочей подпрограмме 315 как коррекция к любым измерениям расходомера.
Система 303 обработки может содержать универсальный компьютер, микропроцессорную систему, логическую схему, или некоторое другое универсальное или специальное устройство обработки. Система 303 обработки может быть распределена среди множественных устройств обработки. Система 303 обработки может включать в себя любого рода объединенный или независимый электронный носитель данных, такой как система 304 памяти.
Система 303 обработки обрабатывает сигнал 310 датчика для получения сигнала 311 привода, в том числе. Сигнал 311 привода подается на привод 104 для возбуждения колебаний связанного расходомерного трубопровода(-ов), таких как расходомерные трубопроводы 103, 103' на Фиг.1.
Следует понимать, что электронный измеритель 20 может включать в себя различные другие компоненты и функции, которые являются общеизвестными в данной области техники. Эти дополнительные признаки исключены из описания и чертежей ради краткости. Поэтому, настоящее изобретение не должно быть ограничено показанными и рассматриваемыми конкретными вариантами осуществления.
На Фиг.4 приведен график, описывающий измерение дифференциальной плотности. Обнаружение водного загрязнения топливной системы - это не ограничивающий пример использования представленных здесь вариантов осуществления. Помимо общего измерения качества топлива, неожидаемое наличие воды в системе подачи топлива - это качественный индикатор того, что проблема может существовать. В варианте осуществления анализируя измерение дифференциальной плотности (плотность на впуске относительно плотности на выпуске), оказывается возможным определить потенциальное содержание воды в поступающем в двигатель 208 топливе. Плотность топлива может быть измерена расходомером 214 со стороны питания, и может быть вычислена первая плотность топлива. Как только топливо, которое не потребляется двигателем 208, проходит через расходомер 216 со стороны возврата, расходомером 216 со стороны возврата вычисляется вторая плотность. Температура топлива на впуске двигателя (и в расходомере 214 со стороны питания), как не ограничивающий пример, может быть на 20°C ниже, чем температура, измеренная расходомером 216 со стороны возврата. Поскольку плотность топлива уменьшается с увеличением температуры, измерение меньшей плотности может ожидаться в расходомере 216 со стороны возврата. Однако, если измерение плотности расходомером 216 со стороны возврата оказывается тем же самым, или выше, чем таковое в расходомере 214 со стороны питания, то это косвенно означает водное загрязнение топлива. График на Фиг.4 показывает измеренную плотность 400 на впуске и плотность 402 на выпуске, измеренные расходомером 214 со стороны питания и расходомером 216 со стороны возврата, соответственно, в течение длительного времени 404. Область A соответствует топливу, текущему в замкнутом контуре 218 топливной системы 200 с отключенным двигателем 208. Очевидно, что как только двигатель 208 запускается (Область B), температура на выпуске повысится. Точка на графике, где это начинается, показана вертикальной штриховой линией, обозначенной как "Факт Потребления Увеличивает Температуру на Выпуске". В примере, предоставленном этим графиком, измеренная на впуске 400 плотность остается стабильной, даже с запущенным двигателем 208. Однако, плотность 402 на выпуске увеличивается со временем после запуска двигателя 208. Это указывает на потенциальное наличие воды в топливе.
В одном варианте осуществления измеренное значение дифференциальной плотности, Δρ, вычисляется в соответствии с Уравнением (1):
R
S
Δρ=ρ-ρ (1)
где
R
ρ - плотность, вычисленная расходомером со стороны возврата; и
S
ρ - плотность, вычисленная расходомером со стороны питания.
Это просто один из примеров того, как вычисляется значение Δρ, и другие способы, уравнения, и алгоритмы также возможны.
В одном сценарии, если продавец топлива поставляет топливо, которое содержит в себе некоторое количество воды, которое считается недопустимо большим, измерение плотности полезно для выявления проблемы. Однако, это прямое вычисление плотности с единственным измерителем, поскольку плотность топлива просто должна быть выше ожидаемой для данного конкретного топлива. Имеются сценарии, когда вода попадает в топливную систему после заправки топливом, и когда дифференциальная система 200 измерения топлива особенно преимущественна.
В одном варианте осуществления несколько охлаждаемых водой инжекторов (не показаны) могут быть использованы для распыления и инжекции топлива в камеру сгорания двигателя. Вследствие высоких температур, имеющихся в камере сгорания, часто необходимо охлаждать наконечники инжектора, которые в нее выступают. Одна из общих схем, посредством которой это достигается, это циркуляция воды через каналы в пределах инжектора.
Топливный инжектор обязательно выполняется из монолитного металла (обычно из стали), который имеет в себе каналы подачи топлива и возврата топлива. Топливо подается на концевую камеру, вблизи наконечника инжектора, где клапан, такой как игольчатый клапан, например, но без ограничения, позволяет отмерить топливо в камеру сгорания. Клапан открывается, когда давление топлива превышает силу элемента смещения, сконфигурированного для поддержания клапана закрытым. Могут также иметься каналы в корпусе инжектора для подачи и возврата воды к форсунке. Эта типичная система инжекции топлива приведена в качестве примера и не призвана ограничить настоящее изобретение именно такими топливными системами. Кроме того, хотя рассматривается вода, другие хладагенты также предполагаются. Если инжектор повреждается, вода может поступить в систему подачи топлива. Например, топливо, подаваемое на инжектор, может находиться в инжекторе при давлении 15 фунт/кв. дюйм. Вода, циркулирующая через инжектор, может быть при 30 фунт/кв. дюйм, например. В примерах с повреждением инжектора, должна нарушаться герметичность, или должно быть физическое разрушение топливных и водяных трубопроводов, и, поскольку вода циркулирует при более высоком давлении, чем топливо в пределах инжектора, вода попадет в топливные трубопроводы и загрязнит замкнутый контур 218 топливной системы 200. Это обнаруживается как увеличение плотности, измеряемое расходомером 216 со стороны возврата с использованием расходомера 214 со стороны питания как эталонного.
В подобном примере, головка цилиндра двигателя 208 (не показана) может содержать водные каналы, так, чтобы вода могла циркулировать через головку цилиндра с целью ее охлаждения. В некоторых конструкциях двигателей, топливные каналы могут также присутствовать в пределах головки цилиндра. В случаях повреждения литой головки цилиндра, или пористости в литье, образуется возможность загрязнения водой системы подачи топлива. Как и в вышеупомянутом примере, в случае повреждения головки цилиндра, вода может попасть в топливные трубопроводы и загрязнить замкнутый контур 218 топливной системы 200. И опять, это обнаруживается как увеличение плотности, измеряемое по дифференциальной плотности между расходомером 216 со стороны возврата и расходомером 214 со стороны питания.
2
Оксид азота (NO) и диоксид азота (NO) - это монооксиды азота (в целом "NOx"), которые производятся реакцией азота и кислородсодержащих газов во время реакции сгорания, особенно при повышенных температурах. Большие топливные системы 200 морских судов создают большие количества оксидов азота, которые испускаются в атмосферу и являются существенными загрязнителями воздуха. Поскольку атмосферный воздух состоит приблизительно на 78% из азота и 21% кислорода, газы NOx формируются всякий раз, когда сгорание происходит в двигателе, всасывающем атмосферный воздух. К сожалению, газы NOx дают вклад в формирование озона, смога, и, потенциально - кислотного дождя. Поэтому, двигатели и топливные системы часто снабжаются способами, препятствующими формированию NOx. Добавление воды в камеру сгорания судового дизельного двигателя - это стратегия, которая может быть использована для снижения выхода NOx. Это снижает пиковые температуры сгорания, таким образом, негативно воздействуя на (то есть, уменьшая) формирование NOx. Один из способов введения воды в камеру сгорания заключается в использовании эмульгированных топлив.
Эмульгированное топливо обычно приготавливается из воды и жидкого топлива. Эмульсия, в случае топливных систем, является многофазной жидкостью, причем фазы воды и топлива являются несмешивающимися. Эмульгаторы (или сурфактанты) часто используются в эмульсии для способствования получению устойчивой смеси. Типичный диапазон содержания воды в топливе составляет между 5% и 30% по массе. Диапазон варьируется на основании типа топлива, чистоты воды, конфигурации двигателя, и на основании других факторов вне объема притязаний данного раскрытия. Часто, топливо смешивается с водой на борту судна перед вводом в камеру сгорания (См. систему эмульсии 224 на Фиг.2, для примера). Испарение воды в камере сгорания приводит к охлаждению стенки цилиндра и камеры сгорания в целом. Конечно, пониженная температура сгорания приводит к пониженному производству NOx. Если процентное содержание воды слишком велико, эффективность двигателя падает, но если процентное содержание воды в эмульсии слишком мало, снижение составов NOx происходит неэффективно. Поскольку для конкретной двигательной системы количество воды, добавляемой для формирования водной/топливной эмульсии известно, топливо, которое проходит через расходомер 216 со стороны возврата будет иметь приемлемый диапазон плотности, который соответствует приемлемому объему воды в эмульсии. Если значение дифференциальной плотности указывает, что нет никакого изменения плотности топлива в двигателе, это может указывать на непригодную систему эмульсии, в которой недостаточно воды добавлено к топливу. Вместе с тем, если значение дифференциальной плотности больше, чем ожидаемое, исходя из объема воды, которая должна быть добавлена к топливу, то это может указывать, что столько воды и следует добавить к эмульсии.
t
t
t
На Фиг.5 показан вариант осуществления способа индикации потенциального загрязнения топлива. Расходомер 214 со стороны питания расположен выше по ходу двигателя 208, и расходомер 216 со стороны возврата расположен ниже по ходу двигателя 208. На этапе 500, двигатель 208, расположенный между расходомером 214 со стороны питания и расходомером 216 со стороны возврата, запускается. Любое различие в расходах, измеренных расходомерами 214, 216, по существу равно расходу топлива, потребляемого двигателем 208. Первая плотность топлива измеряется в расходомере 214 со стороны питания, и вторая плотность топлива измеряется в расходомере 216 со стороны возврата на этапе 502. Эти измеренные значения плотности топлива затем сравниваются на этапе 504. Как отмечено выше, плотность топлива уменьшается как функция температуры и, таким образом, измерения меньшей плотности следует ожидать в расходомере 216 со стороны возврата. Если измерение плотности в расходомере со стороны возврата отличается от такового в расходомере со стороны питания в существенной степени, то это косвенно свидетельствует о загрязнении топлива. На этапе 506 различие между значениями плотности топлива, Δρ, определяется и затем сравнивается с теоретическим различием между значением плотности топлива, Δρ, или диапазоном значений Δρ, на этапе 508. Значение Δρ может быть определено, используя Уравнение (1), например, но без ограничения. Однако, другие уравнения, алгоритмы, и способы также предполагаются. Потенциальное загрязнение топлива указывается на этапе 510, если Δρ находится вне диапазона Δρ на заданное пороговое значение. Это пороговое значение зависит от типа двигателя, типа топлива, температуры, различия температуры между расходомерами 214, 216, наличия или отсутствия системы 224 топливной эмульсии, и т.д.
t
t
t
t
Как отмечено выше, температура топлива на впуске в двигатель (и в расходомере 214 со стороны питания) ожидается меньшей, чем температура, измеряемая расходомером 216 со стороны возврата, когда двигатель 208 работает. Таким образом, измерение плотности расходомером 216 со стороны возврата должно теоретически быть ниже, чем таковое для расходомера 214 со стороны питания. В противном случае это может указывать на то, что топливо может быть загрязнено водой. Чертеж на Фиг.6 относится к варианту осуществления для индикации потенциального водного загрязнения в топливной системе 200. Следует отметить то, что первые пять этапов, показанные на Фиг.6, являются общими с первыми пятью этапами, показанными на Фиг.5. На этапе 600, двигатель 208, расположенный между расходомером 214 со стороны питания и расходомером 216 со стороны возврата, запускается. Первая плотность топлива измеряется в расходомере 214 со стороны питания, и вторая плотность топлива измеряется в расходомере 216 со стороны возврата на этапе 602. Эти измеренные значения плотности топлива затем сравниваются на этапе 604. Если измерение плотности расходомером со стороны возврата отличается от такового для расходомера со стороны питания в существенной степени, то это косвенно свидетельствует о водном загрязнении топлива. На этапе 606 определяется значение Δρ, и затем сравнивается со значением Δρ или с диапазоном значений Δρ на этапе 608. На этапе 610 индицируется потенциальное водное загрязнение топлива, если Δρ превышает Δρ или диапазон Δρ на заданное пороговое значение. Как не ограничивающее примерное применение, если используются охлаждаемые водой топливные инжекторы (не показаны) для распыления и введения топлива в камеру сгорания двигателя, то при повреждении водяной рубашки инжектора вода могла бы попасть в топливную систему после расходомера 214 со стороны питания, но перед расходомером 216 со стороны возврата. Это, конечно, загрязнило бы замкнутый контур 218 топливной системы 200 водой, которая обнаруживается как увеличение плотности, измеряемое расходомером 216 со стороны возврата и с использованием расходомера 214 со стороны питания как эталона.
t
t
На Фиг.7 показан связанный вариант осуществления для индикации потенциального загрязнения топлива, причем используется температура расходомеров 214, 216. На этапе 700, двигатель 208 расположенный между расходомером 214 со стороны питания и расходомером 216 со стороны возврата запускается. Первая плотность топлива измеряется в расходомере 214 со стороны питания, и вторая плотность топлива измеряется в расходомере 216 со стороны возврата на этапе 702. На этапе 704, значения сигнала датчика температуры принимаются и от расходомера 214 со стороны питания, и от расходомера 216 со стороны возврата. Эти значения могут быть сохранены в электронном измерителе 20. Температура может быть определена обработкой сигналов датчика, таких как принятые от датчика 107 температуры. Температура может быть определена, используя RTD, например. Температура может соответствовать температуре расходомера, температуре расходомерного трубопровода, температуре кожуха расходомера, температуре электронного измерителя, или температуре, внешней для расходомеров 214, 216 со стороны питания и со стороны возврата, например. В одном варианте осуществления каждый расходомер 214, 216 содержит отдельные датчики температуры. В одном варианте осуществления датчик температуры помещен как внешний для расходомеров 214, 216. В одном варианте осуществления отдельные температуры определяются для каждого расходомера 214, 216, и каждая измеренная температура вводится в электронный измеритель 20. В другом варианте осуществления температуры, определенные для первого измерения плотности топлива и второго измерения плотности топлива регулируются на этапе 706 для компенсации температуры расходомера 214 со стороны питания и расходомера 216 со стороны возврата, соответственно. В другом варианте осуществления определяется температура, внешняя для расходомера 214 со стороны питания и расходомера 216 со стороны возврата, и первое измерение плотности топлива и второе измерение плотности топлива регулируются на этапе 706 для компенсации этой измеренной температуры. Эти температурно-скомпенсированные измеренные значения плотности топлива затем сравниваются на этапе 708. Значение Δρ затем определяется на этапе 710, используя температурно-скомпенсированные значения плотности топлива. На этапе 712 значение Δρ сравнивается с диапазоном значений Δρ. Потенциальное топливное загрязнение обозначается, если Δρ находится вне диапазона значений Δρ на заданное пороговое значение, как показано на этапе 714.
t
t
В вариантах осуществления способов индикации потенциального топливного загрязнения может быть запущена тревожная сигнализация, если значение Δρ отличается от Δρ или находится вне диапазона значений Δρ на заданное пороговое значение. Кроме того, способы также могут содержать этапы измерения расхода топлива в расходомере со стороны питания и расхода топлива в расходомере со стороны возврата, в то время как двигатель работает для вычисления потребления топлива двигателем, сравнивая расход топлива в расходомере со стороны возврата с расходом топлива в расходомере со стороны питания. Измерение потребления топлива затем указывается.
Настоящее изобретение, как описано выше, предоставляет различные системы и способы, относящиеся к определению качества топлива, используя вибрационные расходомеры, такие как расходомер Кориолиса. Хотя описанные выше различные варианты осуществления относятся к расходомерам, конкретно - к расходомерам Кориолиса, следует отметить, что настоящее изобретение не должно быть ограничено расходомерами Кориолиса, и описанные здесь способы могут использоваться с другими типами расходомеров, или с другими вибрационными датчиками, которые могут и не иметь некоторых из измерительных возможностей расходомеров Кориолиса.
Подробные описания вышеупомянутых вариантов осуществления не являются исчерпывающими описаниями всех вариантов осуществления, рассматриваемых авторами как находящиеся в переделах объема притязаний изобретения. Действительно, специалисты в данной области техники увидят, что некоторые элементы вышеописанных вариантов осуществления могут быть по-разному объединены или устранены, чтобы создать дополнительные варианты осуществления, и такие дополнительные варианты осуществления находятся в пределах объема притязаний и принципов изобретения. Специалистам в данной области техники также будет очевидно, что вышеописанные варианты осуществления могут быть объединены полностью или частично, чтобы создать дополнительные варианты осуществления в пределах объема притязаний и принципов изобретения.
Таким образом, хотя конкретные варианты осуществления и примеры изобретения описаны здесь в иллюстративных целях, различные эквивалентные модификации возможны в пределах объема притязаний изобретения, как это будет ясно специалистам в данной области техники. Приведенные здесь принципы могут быть применены к другим вибрационным датчикам, и не только к описанным выше и показанным на сопроводительных чертежах вариантам осуществления. Соответственно, объем притязаний изобретения должен быть определен из следующей далее формулы изобретения.