СПОСОБ И СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ ЖИДКОСТИ В НИЖНЕЙ ЧАСТИ КОРПУСА РАСХОДОМЕРА, МАШИНОЧИТАЕМЫЙ НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ
METHOD AND SYSTEM (VERSIONS) FOR DETERMINING PRESENCE OF LIQUID IN BOTTOM PART OF HOUSING OF FLOW METRE, MACHINE-READABLE DATA MEDIUM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам и системам для определения наличия жидкостей в нижней части корпуса расходомера и машиночитаемым носителям информации для подобных систем. Преимущественно описанное изобретение относится к газовым расходомерам, в нижней части которых может скапливаться жидкость, приводящая к некорректной работе расходомера.
Уровень техники
После извлечения углеводородов из земли поток газа транспортируется из одного пункта в другой посредством трубопроводов. Требуется достаточно точное знание количества газа, проходящего в потоке, причем особенно высокая точность необходима, когда текучая среда переходит другому владельцу, т.е., происходит "прием-сдача" продукта. Для измерения количества протекающего в трубопроводе природного газа могут быть использованы ультразвуковые расходомеры, которые обладают достаточной точностью для использования при приеме-сдаче продукта.
В ультразвуковом измерителе расхода (ультразвуковом расходомере) для проведения измерения акустические сигналы направляются туда и обратно поперек потока газа, подлежащего измерению. По параметрам принятых акустических сигналов определяется скорость газового потока на группе заданных уровней в измерительном расходомере. По скоростям потока и известной площади поперечного сечения расходомера может быть определен расход газа.
В некоторых случаях в нижней части расходомеров, измеряющих поток природного газа, накапливаются жидкости. Жидкости могут представлять собой углеводороды или воду. Например, в зависимости от давления и точки конденсации углеводороды могут выделяться из потока природного газа, создавая скопления жидкости. В еще одном примере трубопроводы могут подвергаться гидростатическим испытаниям заполнением труб водой, и в определенных случаях вода неполностью удаляется перед тем, как трубопровод начинает использоваться для транспортировки природного газа. Вне зависимости от природы возникновения жидкости, ее скопления уменьшают площадь поперечного сечения расходомера, а уменьшенная площадь поперечного сечения имеет двоякий эффект на измерение расхода. При постоянном фактическом расходе через расходомер уменьшенная площадь поперечного сечения приводит к увеличенной измеренной скорости потока. Более того, в предположении о некоторой площади поперечного сечения расходомер определяет расход по измеренной скорости и площади поперечного сечения. Поскольку фактическая площадь поперечного сечения сокращена из-за скопления жидкости фактические расходы окажутся меньше измеренных, основанных как на уменьшенной площади поперечного сечения, так и на стремлении газового потока увеличить скорость из-за уменьшенной площади сечения.
В некоторых известных ультразвуковых измерительных расходомерах делается попытка определения скопления жидкости в расходомере с использованием пары измерительных преобразователей (далее - преобразователей), которые посылают акустические сигналы в направлении самой нижней части расходомера. В отсутствие жидкости акустические сигналы, создаваемые одним преобразователем, пересекают расходомер, отражаются от самой нижней части расходомера и затем распространяются ко второму измерителю. В присутствии жидкости акустический сигнал пересекает поверхность жидкости и отражается от нее, а не от самой нижней точки расходомера, в результате чего изменяется длина пути акустического сигнала. Параметры акустического сигнала показывают изменение длины пути, а значит, и наличие жидкости. Однако установка специальной пары преобразователей для обнаружения жидкости увеличивает стоимость и сложность расходомера, а доработка существующих расходомеров (в которых акустические сигналы пересекают расходомер по существу горизонтально) нерентабельна. Таким образом, системы и способы определения наличия жидкости в акустических расходомерах необходимы и требуют усовершенствований.
Настоящее изобретение направлено на дальнейшее развитие повышения точности измерения расхода текучей среды за счет повышения точности расчета размеров площади поперечного сечения расходомеров при одновременном упрощении конструкции расходомеров, сокращении количества необходимого для этого дополнительного оборудования, повышении рентабельности и снижении стоимости расходомеров.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение описывает способ определения наличия жидкости в нижней части корпуса расходомера, включающий пропускание газа через центральный канал корпуса расходомера, направление акустических сигналов вдоль хорд поперек центрального канала, не пересекающих нижней части центрального канала, в которой скапливается жидкость при пропускании газа, определение скорости потока газа в зоне каждой хорды посредством времени распространения акустических сигналов вдоль соответствующих хорд и определение наличия жидкости в нижней части корпуса расходомера посредством скорости потока в зоне каждой хорды.
При определении скорости потока дополнительно могут определять параметр, характеризующий эпюру скорости потока газа, и сравнивать указанный параметр с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
При сравнении параметров дополнительно могут определять среднеквадратическое отклонение посредством указанного параметра и по меньшей мере одного ранее определенного параметра и подают сигнал о наличии жидкости при превышении среднеквадратическим отклонением установленного порогового значения.
При сравнении параметров дополнительно могут определять величину различия между указанным параметром и по меньшей мере одним ранее определенным параметром и подавать сигнал о наличии жидкости при превышении указанной величиной установленного порогового значения.
При определении наличия жидкости дополнительно могут определять параметр, характеризующий скорость потока газа в направлениях, не параллельных центральной оси пути потока, и сравнивать указанный параметр с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
При сравнении указанных параметров дополнительно могут определять среднеквадратическое отклонение посредством указанного параметра и по меньшей мере одного ранее определенного параметра и подавать сигнал о наличии жидкости при превышении среднеквадратическим отклонением установленного порогового значения.
При сравнении параметров дополнительно могут определять величину различия между указанным параметром и по меньшей мере одним ранее определенным параметром и подают сигнал о наличии жидкости при превышении величиной различия установленного порогового значения.
Также настоящее изобретение описывает систему определения наличия жидкости в нижней части корпуса расходомера, включающую корпус расходомера, определяющий центральный канал и его радиус и выполненный с возможностью установки в поток газа, протекающего по центральному каналу, группу пар преобразователей, установленных на корпусе расходомера, определяющих группу хорд поперек центрального канала, расположенных внутри центрального канала выше горизонтальной плоскости, лежащей выше уровня 5% от радиуса, измеренной от самой нижней точки центрального канала, не пересекающих названного уровня и выполненных с возможностью подачи и приема акустических сигналов вдоль соответствующих хорд, процессор, запоминающее устройство, электрически связанное с процессором и содержащее блок машиночитаемых кодов, исполняемых процессором, электрически связанным с группой пар преобразователей, выполненным с возможностью получения представления принимаемых акустических сигналов определения скорости потока газа в зоне каждой хорды посредством принимаемых акустических сигналов и определения наличия жидкости в нижней части центрального канала посредством скоростей потока.
Процессор может быть выполнен с возможностью при определении наличия жидкости определения параметра, характеризующего эпюру скорости потока газа в центральном канале, и его сравнения с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
При сравнении параметров процессор может быть выполнен с возможностью определения среднеквадратического отклонения посредством указанного параметра и по меньшей мере одного ранее определенного параметра и подачи сигнала о наличии жидкости при превышении среднеквадратическим отклонением установленного порогового значения.
При сравнении параметров процессор может быть выполнен с возможностью определения величины различия между указанным параметром и по меньшей мере одним ранее определенным параметром и подачи сигнала о наличии жидкости при превышении величиной различия установленного порогового значения.
При определении наличия жидкости процессор может быть выполнен с возможностью определения параметра, характеризующего скорость потока газа в направлениях, не параллельных центральной оси центрального канала, и его сравнения с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
При сравнении параметров процессор может быть выполнен с возможностью определения среднеквадратического отклонения посредством указанного параметра и по меньшей мере одного ранее определенного параметра и подачи сигнала о наличии жидкости при превышении среднеквадратическим отклонением установленного порогового значения.
При сравнении указанного параметра процессор может быть выполнен с возможностью определения величины различия между указанным параметром и по меньшей мере одним ранее определенным параметром и подачи сигнала о наличии жидкости при превышении указанной величиной установленного порогового значения.
Также изобретение описывает машиночитаемый носитель информации, включающий блок машиночитаемых кодов, исполняемых процессором, выполненным с возможностью получения представления акустических сигналов, распространяющихся вдоль группы хорд в расходомере, определения скорости потока газа в зоне каждой хорды посредством представлений акустических сигналов и определения посредством скоростей потока газа наличия жидкости в нижней части центрального канала расходомера.
При определении наличия жидкости процессор может быть выполнен с возможностью определения параметра, характеризующего эпюру скорости потока газа в центральном канале, и сравнения его с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
При сравнении указанного параметра процессор может быть выполнен с возможностью определения среднеквадратического отклонения посредством указанного параметра и по меньшей мере одного ранее определенного параметра, и подачи сигнала о наличии жидкости при превышении среднеквадратическим отклонением ранее установленного порогового значения.
При сравнении указанного параметра процессор может быть выполнен с возможностью определения величины различия между указанным параметром и по меньшей мере одним ранее определенным параметром и подачи сигнала о наличии жидкости при превышении величиной различия установленного порогового значения.
Также процессор может быть выполнен с возможностью определения параметра по следующему уравнению:
A
B
C
D
где V - скорость потока в самой верхней хорде, V - скорость потока в средней верхней хорде, V - скорость потока в средней нижней хорде, V - скорость потока в самой нижней хорде.
Кроме того, процессор может быть выполнен с возможностью определения параметра по следующему уравнению:
A
B
C
D
где V - скорость потока в самой верхней хорде, V - скорость потока в средней верхней хорде, V - скорость потока в средней нижней хорде, V - скорость потока в самой нижней хорде.
При определении наличия жидкости процессор может быть выполнен с возможностью определения скорости потока газа в направлениях, не параллельных центральной оси центрального канала, и сравнения указанного параметра с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
Процессор может быть выполнен с возможностью при сравнении параметра определения среднеквадратического отклонения посредством указанного параметра и по меньшей мере одного ранее определенного параметра и подачи сигнала наличия жидкости при превышении среднеквадратическим отклонением ранее установленного порогового значения.
При сравнении указанного параметра процессор может быть выполнен с возможностью определения величины различия между указанным параметром и по меньшей мере одним ранее определенным параметром и подачи сигнала о наличии жидкости при превышении указанной величиной ранее установленного порогового значения.
Также процессор может быть выполнен с возможностью определения параметра по следующему уравнению:
A
B
C
D
где V - скорость потока в самой верхней хорде, V - скорость потока в средней верхней хорде, V - скорость потока в средней нижней хорде, V - скорость потока в самой нижней хорде.
Дополнительно настоящее изобретение описывает систему определения наличия жидкости в нижней части корпуса расходомера, включающую процессор, порт связи с процессором, запоминающее устройство, связанное с процессором и имеющее блок машинных кодов, исполняемых процессором, выполненным с возможностью получения от расходомера газа посредством порта связи величины расхода измеряемого газа и поддержания заданное время промежуточной суммы расхода газа через расходомер, и получения посредством порта связи данных о наличии жидкости в нижней части расходомера газа, и посредством указанных данных определения наличия жидкости.
При получении данных процессор может быть выполнен с возможностью получения представления акустического сигнала, распространяющегося поперек центрального канала расходомера газа.
При определении наличия жидкости процессор может быть выполнен с возможностью определения параметра, характеризующего эпюру скорости потока газа внутри расходомера и его сравнения с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
При определении наличия жидкости процессор может быть выполнен с возможностью определения параметра, характеризующего эпюру скорости потока газа в направлениях, не параллельных центральной оси центрального канала, и сравнения указанного параметра с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
При получении данных процессор может быть выполнен с возможностью получения представления скоростей потока газа в зоне каждой хорды расходомера газа.
При определении наличия жидкости процессор может быть выполнен с возможностью определения параметра, характеризующего эпюру скорости потока газа внутри расходомера газа, и его сравнения с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
При определении наличия жидкости процессор может быть выполнен с возможностью определения параметра, характеризующего эпюру скорости потока газа в направлениях, не параллельных центральной оси центрального канала, и его сравнения с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
Процессор может быть выполнен с возможностью при получении данных получения параметра эпюры скорости потока газа в расходомере газа и сравнения указанного параметра с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
При получении данных процессор может быть выполнен с возможностью определения параметра, характеризующего эпюру скорости потока газа в направлениях, не параллельных центральной оси центрального канала, и его сравнения с по меньшей мере одним ранее определенным параметром.
Краткое описание чертежей
При подробном описании приведенных для иллюстрации изобретения его вариантов осуществления делаются ссылки на приложенные фигуры, на которых:
На Фиг.1 показан вид сверху сечения расходомера в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления.
На Фиг.2 показан вид сбоку на торец расходомера в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления.
На Фиг.3 показан вид сверху расходомера в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления.
На Фиг.4 показана электронная схема расходомера в соответствии с по крайней мере некоторыми вариантами осуществления.
На Фиг.5 показан вид сбоку с торца расходомера в соответствии с по крайней мере некоторыми вариантами осуществления.
На Фиг.6-10 показаны флуктуации эпюры скорости потока.
На Фиг.11-15 показаны флуктуации эпюры скорости потока.
На Фиг.16 представлен способ в соответствии с по крайней мере некоторыми вариантами осуществления.
На Фиг.17 представлен вычислитель расхода, подключенный к нескольким расходомерам, в соответствии с по крайней мере некоторыми вариантами осуществления.
Осуществление изобретения
В приведенном описании и формуле используются определенные термины, которые относятся к конкретным компонентам системы. Специалисты знают, что компании, выпускающие измерительные инструменты, могут давать компонентам различные названия. В настоящем документе не делается различий между компонентами, отличающимися названиями, но не функциями.
В приведенном ниже рассмотрении и в формуле термины "включающий" и "содержащий" используются в открытом смысле и поэтому должны пониматься как "включающий, но не ограничивающийся". Далее, термин "соединять" или "связывать" подразумевает либо опосредованное, либо прямое соединение. То есть, если первое устройство соединено со вторым устройством, это соединение может осуществляться путем прямого соединения, или путем опосредованного соединения через другие устройства или соединения.
Приведенное далее рассмотрение относится к различным вариантам выполнения изобретения. Хотя один или более из этих вариантов выполнения может быть предпочтительным, раскрытые варианты осуществления не должны восприниматься, либо иным образом использоваться, как ограничивающие область притязаний изобретения, включая формулу. Кроме того, для специалиста должно быть понятно, что приведенное ниже описание имеет широкое применение, и рассмотрение каких-либо вариантов выполнения предназначено только для иллюстрации вариантов выполнения и не подразумевает, что область притязаний раскрытия, включая формулу, ограничена этим вариантом выполнения.
Различные варианты осуществления относятся к способам и системам определения скопления или наличия жидкости в нижней части центрального канала акустического расходомера. Определение основано на параметрах акустической энергии, направляемой через расходомер между парами преобразователей, но там, где акустическая энергия не пересекает жидкость. На Фиг.1 представлен вид сверху поперечного сечения акустического расходомера 101 для описания различных компонентов и взаимосвязей. Корпус расходомера или отрезок 100 трубы, пригодный для установки между секциями трубопровода, имеет заданные размеры и образует центральный канал 102, сквозь который протекает измеряемый поток газа (например, природного газа). Приведенная для примера пара преобразователей 120 и 130 и соответствующие им патрубки 125 и 135 расположены по длине отрезка 100 трубы. Преобразователи 120 и 130 представляют собой акустические приемопередатчики, в частности ультразвуковые передатчики, что означает, что они генерируют и принимают акустическую энергию на частотах более 20 кГц. Акустическая энергия генерируется и принимается пьезоэлектрическим элементом, находящимся в каждом преобразователе. Для генерирования акустического сигнала пьезоэлектрический элемент возбуждается электрическим синусоидальным сигналом, под воздействием которого он вибрирует. Вибрация пьезоэлектрического элемента создает акустические колебания, распространяющиеся через измеряемую текучую среду к соответствующему преобразователю пары преобразователей. Аналогично, при попадании на него акустической энергии (т.е. акустического сигнала и шумовых сигналов) приемный пьезоэлектрический элемент вибрирует и генерирует синусоидальный электрический сигнал, который детектируется, оцифровывается и анализируется электронной схемой, связанной с расходомером.
Между показанными для примера преобразователями 120 и 130 проходит под углом - к центральной линии 105 путь 110 распространения, иногда называемый "хордой" или "хордовым путем". Длина "хорды" 110 представляет собой расстояние между торцом преобразователя 120 и торцом преобразователя 130. Точки 140 и 145 определяют места, где акустические сигналы, генерируемые преобразователями 120 и 130, входят в газ, проходящий по отрезку 100 трубы, и выходят из него (т.е. вход в отверстие в отрезке трубы). Расположение преобразователей 120 и 130 может быть определено углом θ, первой длиной L, измеренной между преобразователями 120 и 130, второй длиной X, соответствующей расстоянию вдоль оси между точками 140 и 145, и третьей длиной "d", соответствующей внутреннему диаметру трубы. В большинстве случаев расстояния d, Х и L точно определяются в процессе изготовления расходомера. Кроме того, преобразователи, например преобразователи 120 и 130, обычно располагаются на определенном расстоянии от точек 140 и 145 соответственно, вне зависимости от размеров расходомера (т.е. размера отрезка трубы). Газ (например, природный газ) протекает в направлении 150 со скоростью, эпюра которой изображена кривой 152. Векторы 153-158 скорости показывают, что скорость газа через отрезок 100 трубы нарастает к центральной линии 105 отрезка 100 трубы.
Вначале, расположенный вниз по потоку преобразователь 120 генерирует акустический сигнал, который распространяется через текучую среду в отрезке 100 трубы и попадает на расположенный вверх по потоку преобразователь 130 и определяется им. Через короткое время (например, через несколько миллисекунд) расположенный вверх по потоку преобразователь 130 генерирует ответный акустический сигнал, который распространяется обратно через текучую среду в отрезке 100 трубы, попадает на расположенный ниже по потоку преобразователь 120 и детектируется им. Таким образом, преобразователи 120 и 130 обмениваются акустическими сигналами 115 вдоль хорды 110. В процессе работы эта последовательность может повторяться тысячи раз в минуту.
Время распространения акустического сигнала 115 между преобразователями 120 и 130 зависит, отчасти, от того, в каком направлении распространяется этот сигнал относительно потока газа - навстречу потоку или по потоку. Время распространения для акустического сигнала, распространяющегося по потоку (т.е. в одном направлении с потоком газа), меньше времени распространения в направлении навстречу потоку (т.е. против движения потока газа). Времена распространения навстречу потоку и по потоку могут быть использованы для определения средней скорости газа вдоль и/или вблизи хорды, и времена распространения могут быть использованы для определения скорости звука в измеряемом газе.
Ультразвуковые расходомеры могут иметь одну или более хорд. На Фиг.2 представлен вид сбоку на один из торцов многолучевого акустического расходомера. Расходомер, показанный на Фиг.2, включает четыре хордовых пути (хорды) А, В, С и D на разных уровнях внутри отрезка 100 трубы. В частности, хорда А является самой верхней хордой, хорда В является средней верхней хордой, хорда С является средней нижней хордой, и хорда D является самой нижней хордой. Поскольку предметом настоящего раскрытия является обнаружение жидкостей, которые скапливаются под действием силы тяжести в самой нижней части расходомера, определения по высоте, верхний и нижний, и их варианты соотносятся с направлением силы тяжести. Каждому хордовому пути A-D соответствует пара преобразователей, работающих поочередно как передатчик и приемник. Также показан кожух 160 управляющей электроники, где помещается электроника управления, которая получает и обрабатывает данные от показанных четырех хордовых путей A-D распространения. Четыре пары преобразователей, соответствующие хордовым путям A-D, и патрубки преобразователей на Фиг.2 скрыты от наблюдателя за фланцем.
На Фиг.3 представлен вид сверху расходомера 101 для иллюстрации другой особенности взаимоотношений хордовых путей. Первая пара патрубков 125 и 135 преобразователей (которые могут соответствовать самой верхней хорде, хорде А) содержит преобразователи, определяющие хорду, проходящую под углом θ, отличающимся от прямого, к центральной линии 105 отрезка 100 трубы. Другая пара патрубков 165 и 175 для преобразователей (которые могут соответствовать средней верхней хорде В) включает преобразователи, хордовый путь которых с большим интервалом образует форму "X" с хордовым путем патрубков 125 и 135 для преобразователей. Аналогично, третья пара патрубков 185 и 195 для преобразователей (которые могут соответствовать нижней средней хорде, хорде С) также содержит преобразователи, определяющие хордовый путь, параллельный хордовому пути для патрубков 125 и 135 для преобразователей, но ниже в центральном канале, чем хордовые пути как для патрубков 125 и 135, так и для патрубков 165 и 175 преобразователей. Из-за кривизны отрезка 100 трубы не показана на Фиг.3 четвертая пара патрубков для преобразователей (которая может соответствовать самой нижней хорде, хорде D), которые содержат преобразователи, определяющие хордовый путь, параллельный хордовому пути для патрубков 165 и 175 для преобразователей.
Если рассматривать Фиг.2 и 3 совместно, то видно, что пары преобразователей расположены так, что верхние две пары преобразователей, соответствующие хордам А и В, образуют "X", и две нижние пары преобразователей, соответствующие хордам С и D, также образуют "X". Расходомер определяет скорость газа вблизи каждой хорды A-D для определения хордовых скоростей потока, а хордовые скорости потока, вместе взятые, определяют среднюю скорость потока по всему центральному каналу. На основании средней скорости потока и площади поперечного сечения отрезка трубы может быть определено количество газа, протекающего в отрезке трубы, а значит, и по трубопроводу.
На Фиг.4 показана электронная схема 200 управления акустическим расходомером в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления. Электронная схема 200 управления может располагаться в кожухе 160 электроники, показанном на Фиг.2, который может быть подсоединен к отрезку 100 трубы. В альтернативном варианте кожух 160 электроники может быть с тем же успехом установлен вблизи (т.е. в пределах нескольких футов) отрезка трубы. Электронная схема 200 управления включает процессор 202, соединенный с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 204, постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 206 и портом 208 (СОМ) связи. Процессор 202 представляет собой устройство, исполняющее машинные коды (программу, представляющую собой блок машинных кодов) для решения задач различных вариантов осуществления. ПЗУ 206 представляет собой долговременную память, в которой хранятся машинные коды операционной системы, а также машинные коды для осуществления различных вариантов осуществления. ОЗУ 204 представляет собой оперативную память для процессора 202, и перед исполнением некоторые машинные коды и/или структуры данных могут быть скопированы из ПЗУ 206 в ОЗУ 204. В альтернативных вариантах осуществления доступ к некоторым машинным кодам и структурам данных может быть осуществлен непосредственно из ПЗУ 206. Порт 208 связи представляет собой механизм, посредством которого расходомер осуществляет связь с другими устройствами, например вычислителями расхода (которые могут накапливать данные по измерениям расхода от нескольких измерителей расхода) и/или системой сбора данных. В то время как процессор 202, ОЗУ 204, ПЗУ 206 и порт 208 связи показаны как отдельные устройства, в альтернативных вариантах используются микроконтроллеры, в которых заключено ядро процессора, ОЗУ, ПЗУ и порты связи.
Процессор 202 также связан с несколькими устройствами и управляет ими для посылки и приема акустических сигналов через измеряемый газ. В частности, процессор 202 связан с возбудителем 210 преобразователя, приемником 212 и двумя коммутаторами 214 и 216 посредством линий 218 и 220 управления соответственно. В вариантах осуществления, где возбудитель 210 преобразователя имеет внутренний генератор, возбудитель 210 преобразователя вырабатывает исходный сигнал, усиливает сигнал до уровня, достаточного для приведения в действие преобразователя, и обеспечивает согласование импедансов с преобразователями. В других вариантах осуществления возбудитель преобразователя получает сигнал переменного тока требуемой частоты от процессора 202, усиливает сигнал и обеспечивает согласование импедансов с преобразователями. Приемник 212 также может быть представлен в различных формах. В некоторых вариантах осуществления приемник 212 представляет собой аналогово-цифровой преобразователь, который преобразует создаваемый преобразователем аналоговый сигнал, характеризующий принимаемую акустическую энергию, в цифровую форму. В некоторых случаях приемник 212 может фильтровать и/или усиливать сигналы перед оцифровкой или после нее. Цифровая версия принятого сигнала может быть затем передана к процессору 202 для определения параметров расхода газа, и также для определения того, не произошло ли накопления жидкости в расходомере, что подробно рассмотрено ниже.
Процессор 202, исполняя машинные коды, избирательно управляет коммутаторами 214 и 216 для подсоединения каждого преобразователя каждой пары 222 преобразователей к возбудителю 210 преобразователя (для возбуждения преобразователя для создания акустического сигнала), и к приемнику 212 (для приема электрического сигнала, создаваемого преобразователем в ответ на получение акустической энергии). В некоторых вариантах выполнения процессор 202 в течение периода измерений продолжительностью в одну секунду дает команду каждой паре преобразователей направить примерно 30 акустических сигналов в направлении навстречу потоку и 30 акустических сигналов в направлении по потоку. С равным успехом для каждой пары преобразователей могут быть использованы большие или меньшие группы акустических сигналов, направляемых навстречу потоку и по потоку, и более длинные или короткие периоды измерений.
Возвращаясь к Фиг.4, рассмотрим пару 222А преобразователей, представляющую все пары 222 преобразователей. В настоящем описании принято, что преобразователь 224является преобразователем-передатчиком, а преобразователь 226 является преобразователем-приемником, однако в условиях реальной работы эти роли попеременно изменяются. Управляемый процессором 202 возбудитель 210 преобразователя подсоединен посредством коммутаторов 214 и 216 к преобразователю 224. Электрический сигнал, генерируемый и (или) усиленный возбудителем 210 преобразователя, передается к пьезоэлектрическому элементу в преобразователь 224 и возбуждает его, а преобразователь 224, в свою очередь, генерирует акустический сигнал. Акустический сигнал пересекает промежуток между преобразователем 224 и преобразователем 226 в измеряемом газе. Для удобства изображения пара 222А преобразователей на Фиг.4 не выстроена по линии, но при эксплуатации пара преобразователей должна быть по существу коаксиальной, как это показано на Фиг.1. За время распространения акустического сигнала между преобразователем 224 и преобразователем 226 процессор 202 изменяет конфигурацию коммутаторов 214 и 216 для подключения преобразователя 226 к приемнику 212. Преобразователь 226 принимает акустическую энергию (т.е. акустический сигнал и шумовые сигналы), и электрический сигнал, соответствующий принятой акустической энергии, передается к приемнику 212.
В некоторых неблагоприятных ситуациях жидкости собираются в самой нижней части расходомера, когда газ (например, природный газ), параметры которого измеряются, протекает через расходомер. Этими жидкостями могут быть углеводороды, сконденсировавшиеся из проходящего газа, углеводороды, попавшие из устройств, расположенных вверх по потоку (например, смазочные масла компрессора), вода, оставшаяся после гидростатических испытаний, либо жидкости из других источников. Вне зависимости от источника скопления жидкости в расходомере уменьшают площадь поперечного сечения расходомера, что вызывает увеличение (скорости) потока газа (при неизменном расходе) и соответствующие ошибки определения расхода (обусловленные как увеличенной скоростью потока, так и уменьшенной площадью поперечного сечения). Различные варианты выполнения направлены на обнаружение присутствия скоплений жидкости по косвенным признакам. Другими словами, вместо того, чтобы использовать специальную пару преобразователей, хордовый путь которых пересекает поверхность жидкости (при ее наличии), в различных вариантах осуществления обнаружение жидкости основано на параметрах, определяемых в хордовых путях, располагающихся над горизонтальной плоскостью поверхности жидкости в расходомере и не пересекающих ее.
На Фиг.5 представлен вид с торца расходомера 101, позволяющий более подробно описать геометрические соотношения хордового пути и скоплений жидкости в расходомере. В частности, на Фиг.5 показан центральный канал 102, а также приведенные в качестве примера четыре хорды А, В, С и D. Центральный канал имеет радиус R. В соответствии с различными вариантами осуществления каждая из хорд А, В, С и D находится выше поверхности жидкости 300, скопившейся в самой нижней части (относительно направления силы G тяжести) центрального канала 102, и не пересекает ее. Поскольку уровень поверхности жидкости в центральном канале изменяется в зависимости от количества жидкости, в дальнейшем описании принимается, что каждая хорда расположена над горизонтальной плоскостью 302, определяемой на высоте 5% радиуса R центрального канала, измеренной от самой нижней точки центрального канала, и не пересекает ее (в пределах центрального канала). На Фиг.5 каждая хорда А, В, С и D показана по существу горизонтальной (или, другими словами, параллельной горизонтальной плоскости 302), хорды, однако, не должны обязательно быть горизонтальными, и может быть использован любой наклон хорд при условии, что хорды не пересекают поверхности жидкости в центральном канале.
В настоящем изобретении было установлено, что даже если жидкость не обнаруживается непосредственно (например, хордовый путь отражается от поверхности жидкости), наличие жидкости может быть, тем не менее, определено путем анализа параметров, определяемых по хордовым скоростям потока. В частности, было установлено, что присутствие жидкости проявляется как в эпюре скорости потока, так и в наличии поперечного потока внутри расходомера. Каждый из указанных факторов будет рассмотрен отдельно.
Как было показано в отношении вида сверху сечения на Фиг.1 поток газа в расходомере имеет эпюру распределения скорости потока. При протекании газа (например, природного газа) по центральному каналу эпюра скорости потока приобретает "колоколообразную" форму, с максимальным значением скорости в центре и более низкими скоростями потока вблизи стенок, как это показано эпюрой 152 скорости потока на виде сверху на Фиг.1, и эпюрой скорости потока на виде сбоку на Фиг.6. В отношении эпюры скорости потока было установлено, что скопления жидкости проявляются, по меньшей мере, отчасти, быстрыми флуктуациями эпюры скорости потока между более выраженной колоколообразной формой и более плоской, например, как показано эпюрой на Фиг.7. В частности, в течение относительно короткого периода времени эпюра скорости потока флюктуирует между более выраженной колоколообразной формой и более плоской формой, как показано изменениями, происходящими во времени t на Фиг.6-10. Другими словами при наличии жидкости эпюра скорости потока измеряемого газа стремится к форме плывущей медузы.
Флуктуации происходят быстро, и поэтому за период измерения может произойти большое число флуктуаций, однако за период измерения флуктуации стремятся к усреднению до ожидаемых значений, и поэтому ранее не воспринимались как индикаторы наличия жидкости. Например, в пределах использованного в качестве примера периода измерений, равного одной секунде, расходомер может направить 30 акустических сигналов вверх по потоку и 30 акустических сигналов вниз по потоку на каждой хорде (т.е. в период измерений, равный одной секунде, акустический сигнал генерируется, распространяется и принимается каждые 4,16 миллисекунды). Эпюра скорости потока может быть определена после того, как направлен полный комплект акустических сигналов (т.е. один вверх по потоку и один вниз по потоку по каждой хорде), или, грубо говоря, каждые 33 миллисекунды для четыреххордового расходомера. В соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления эпюра потока скорости в пределах периода измерений подвергаются какому-либо анализу для определения наличия флуктуаций.
В некоторых вариантах осуществления, особенно при относительно больших вычислительных возможностях процессора 202 (Фиг.4), определение наличия жидкости в расходомере может быть выполнено графическим анализом эпюры скорости потока. В других вариантах осуществления определяется параметр, характерный для эпюры скорости потока для конкретной группы измерений, и анализируется сравнением с ранее (или позднее) определенными значениями параметра (например, в пределах того же периода измерений), для определения наличия жидкости в расходомере. В некоторых вариантах осуществления берется среднеквадратическое отклонение большого числа таких параметров, и если среднеквадратическое отклонение превышает заданный порог, делается вывод о наличии жидкости в расходомере. В других вариантах осуществления определяется величина различия между параметром и ранее рассчитанными версиями параметра, и если различие превышает заданный порог, это свидетельствует о наличии жидкости в расходомере.
Параметр, позволяющий судить о эпюре скорости потока, также может принимать различные формы. В некоторых вариантах осуществления параметр представляет собой безразмерный параметр эпюры, показывающий сглаженность эпюры скорости потока. Для четыреххордового расходомера параметр эпюры принимает вид:
A
B
C
D
где V представляет скорость потока в самой верхней хорде, V представляет скорость потока в средней верхней хорде, V представляет скорость потока в средней нижней хорде, и V представляет скорость потока в самой нижней хорде.
Рассмотрим для примера период измерения, равный одной секунде, и четыреххордовый расходомер. Также, как и ранее, расходомер может производить полную группу (по всем четырем хордам) измерений скорости потока примерно за 33 миллисекунды, и по каждой группе определять величину параметра эпюры. В соответствии с по крайней мере некоторыми вариантами осуществления среднеквадратическое отклонение параметра определяется за период измерения (например, около 30 значений за период измерения в 1 с), и среднеквадратическое отклонение сравнивается с заранее установленной величиной). Например, если среднеквадратическое отклонение параметра эпюры превышает 0,08, это свидетельствует о наличии жидкости в расходомере, и измеритель потока предпринимает действия по уведомлению пользователя (владельца). Эти действия могут включать, например, выдачу выходного сигнала, включающего местный сигнал тревоги, либо посылку электронного сообщения другим устройствам (например, промысловую систему сбора данных и управления) о наличии жидкости. В альтернативных вариантах осуществления может быть определена разница в значениях параметра эпюры (например, между максимальной величиной и минимальной величиной) и сопоставлена с заранее заданными значениями. Если разница в значениях превышает заданную величину, то расходомер предпринимает дальнейшие действия для уведомления пользователя (владельца). Эти случаи приведены только в качестве примера, и в определении могут быть использованы более длинные или более короткие периоды измерений и соответственно больше или меньше значений.
Рассматриваемая до сих пор эпюра скорости потока относилась к "колоколообразным" эпюрам скорости потока и флуктуациям колокольной формы в присутствии жидкостей, жидкости, однако, могут проявлять себя и по другому, в том числе и в отношении эпюры скорости потока. В частности, в настоящем изобретении установлено, что в присутствии в расходомере потока жидкости максимума самой колокольной формы может попеременно и с большой скоростью смещаться от центральной линии центрального канала (явление известно как "асимметрия"), а затем смещаться обратно. Сдвиг пикового значения от центральной линии может иметь место одновременно с флуктуациями колоколообразной эпюры скорости потока, рассмотренного выше. В частности, за относительно короткое время эпюра скорости потока может флуктуировать между формой с центральным максимумом и эпюрой со смещенным максимумом, как показано на временной зависимости, представленной Фиг.11-15. Флуктуации происходят быстро, и поэтому многие флуктуации могут произойти за период измерения, однако, за период измерения флуктуации могут усредняться до ожидаемых значений и поэтому не будут идентифицированы как свидетельство наличия жидкости.
В некоторых вариантах осуществления, в частности при достаточно большой вычислительной мощности процессора 202 (Фиг.4), определение факта наличия жидкости в измерителе может быть выполнено графическим анализом эпюры скорости потока, в частности асимметрии эпюры скорости потока. В других вариантах осуществления рассчитывается параметр, показывающий асимметрию для конкретной группы измерений, и параметр сравнивается с ранее (или впоследствии) определенными версиями параметра (например, в пределах того же периода измерений) для определения присутствия жидкости в расходомере. В некоторых вариантах осуществления на базе параметра определяется среднеквадратическое отклонение (в сравнении с несколькими рассчитанными ранее версиями), и если среднеквадратическое отклонение превышает заданный порог, это свидетельствует о наличии жидкости в расходомере. В других вариантах осуществления определяется величина различия между параметром и ранее определенными параметрами и параметром, и если различие превосходит заранее установленный порог, делается вывод о наличии жидкости в расходомере.
В вариантах осуществления, где присутствие жидкости определяется вычислением параметров, величина которых указывает на наличие асимметрии, и для четыреххордовых расходомеров параметр асимметрии имеет вид:
A
B
C
D
где V представляет скорость потока в самой верхней хорде, V представляет скорость потока в средней верхней хорде, V представляет скорость потока в средней нижней хорде, и V представляет скорость потока в самой нижней хорде.
Рассмотрим, например, период измерений, равный одной секунде, и четыреххордовый расходомер. Также, как и ранее, расходомер может осуществлять полную группу измерений (во всех четырех хордах) скорости потока примерно за 33 миллисекунды, и по каждой группе определять величину асимметрии. В соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами среднеквадратическое отклонение параметра определяется по периоду измерений (например, около 30 величин за период измерений в 1 с), и среднеквадратическое отклонение сопоставляется с заранее заданной величиной. Например, если среднеквадратическое отклонение асимметрии превышает 0,08, это свидетельствует о наличии жидкости в расходомере, и расходомер предпринимает действия по уведомлению пользователя (владельца). В альтернативных вариантах осуществления может быть определена разница в значениях асимметрии (например, между максимальной величиной и минимальной величиной) и сопоставлена с заранее заданными значениями. Если разница в значениях превышает заданную величину, то расходомер предпринимает дальнейшие действия для уведомления пользователя (владельца). Эти случаи приведены только в качестве примера, и в определении могут быть использованы более длинные или более короткие периоды измерений и соответственно больше или меньше значений.
В дополнение к определению присутствия жидкости на основе флуктуаций эпюры скорости потока, или вместо этого, авторы настоящего изобретения также установили, что наличие жидкости проявляется возникновением поперечных потоков в расходомере. В частности, направление потока газа в расходомере в большинстве случаев параллельно осевой центральной линии, или центральной оси, центрального канала. Однако при наличии жидкости газовый поток стремится отклоняться от направления, параллельного центральной оси, протекая в направлениях, не параллельных центральной оси. Флуктуации происходят быстро, и поэтому большое число флуктуаций может произойти за период изменений, однако за период измерений происходит усреднение флуктуаций до ожидаемых значений, и поэтому они не будут идентифицированы как свидетельство наличия жидкости.
В некоторых вариантах осуществления определяется параметр, который показывает поперечные потоки по конкретной группе измерений, и который анализируется сравнением с ранее (или впоследствии) определенными параметрами (например, в пределах того же периода измерений) для определения присутствия жидкости в расходомере. В некоторых вариантах осуществления посредством параметра определяется среднеквадратическое отклонение (в сравнении с несколькими рассчитанными ранее версиями), и если среднеквадратическое отклонение превышает заданный порог, это свидетельствует о наличии жидкости в расходомере. В других вариантах осуществления определяется величина различия между параметром и ранее определенными версиями параметра, и если различие превосходит заранее установленный порог, делается вывод о наличии жидкости в расходомере.
В вариантах осуществления, где присутствие жидкости определяется вычислением параметров, величина которых указывает на наличие поперечного потока, и для четыреххордовых расходомеров параметр асимметрии имеет вид:
A
B
C
D
где V представляет скорость потока в самой верхней хорде, V представляет скорость потока в средней верхней хорде, V представляет скорость потока в средней нижней хорде, и V представляет скорость потока в самой нижней хорде.
Рассмотрим, например, период измерений, равный одной секунде, и четыреххордовый расходомер. Также, как и ранее, расходомер может выполнять полную группу измерений (во всех четырех хордах) скорости потока примерно за 33 миллисекунды, и по каждой группе определять величину поперечного потока. В соответствии с по крайней мере некоторыми вариантами осуществления среднеквадратическое отклонение параметра определяется по периоду измерений (например, около 30 величин за период измерений в 1 с), и среднеквадратическое отклонение сопоставляется с заранее заданной величиной. Например, если среднеквадратическое отклонение поперечного потока превышает 0,08, это свидетельствует о наличии жидкости в расходомере, и расходомер предпринимает действия по уведомлению пользователя (владельца). В альтернативных вариантах выполнения может быть определена разница в значениях асимметрии (например, между максимальной величиной и минимальной величиной) и сопоставлена с заранее заданными значениями. Если разница в значениях превышает заданную величину, то расходомер предпринимает дальнейшие действия для уведомления пользователя (владельца). Эти случаи приведены только в качестве примера, и в процессе определения могут быть использованы более длинные или более короткие периоды измерений и соответственно больше или меньше значений.
Выше были рассмотрены различные варианты осуществления, в которых для установления наличия жидкости анализируется конкретный параметр, однако в других вариантах осуществления может использоваться комбинация параметров. Например, если среднеквадратическое отклонение параметра поперечного потока превышает нормальное (например, 0,2), но все еще ниже заданного порогового значения, однозначно указывающего на наличие жидкости, один из представленных параметров эпюры скорости потока (например, коэффициент асимметрии) может быть использован для подтверждения присутствия или отсутствия жидкости. В альтернативном случае, даже если один параметр указывает на жидкость (например, параметр эпюры и/или асимметрии), расходомер может подтвердить этот результат, используя другой параметр (например, поперечного потока). Таким образом, могут быть использованы различные параметры в любых комбинациях для определения присутствия или отсутствия жидкости в расходомере.
На Фиг.16 иллюстрируется способ в соответствии с по крайней мере некоторыми вариантами осуществления. В частности, выполнение способа начинают на шаге 600 и далее пускают газ по центральному каналу корпуса расходомера (шаг 604). Газ может представлять собой углеводороды в виде природного газа, но может быть использован любой газ. Затем при выполнении способа посылают акустические сигналы вдоль соответствующих хордовых путей поперек центрального канала, из которых ни один не пересекает нижней части центрального прохода, где при наличии жидкости она скапливается при пропускании газообразного вещества (шаг 608). На основании времени распространения акустических сигналов вдоль соответствующих хордовых путей далее выполняют расчет скорости потока газообразного вещества вблизи каждого хордового пути (шаг 612). Далее, используя скорость потока вблизи каждого хордового пути, выполняют определение наличия скопившейся жидкости в нижней части (шаг 616), и заканчивают выполнение способа на шаге (620). Определение может принимать различные формы. В некоторых вариантах осуществления определяется и анализируется параметр, характеризующий эпюру скорости потока (например, параметр эпюры, асимметрии). В других вариантах осуществления определяется и анализируется параметр, характеризующий поперечный поток внутри расходомера.
В описании раскрытия до сих пор предполагалось, что определение наличия жидкости происходит в измерителе расхода. В альтернативных вариантах осуществления, однако, определение наличия жидкости может выполняться в других устройствах, соединенных с расходомером. На Фиг.17 представлены альтернативные варианты осуществления, в которых другое устройство, имеющее связь с расходомером, выполняет определение наличия или отсутствия жидкости. В частности, на Фиг.17 показан вычислитель 700 расхода, соединенный с несколькими расходомерами 702. Конфигурация вычислителя расхода обеспечивает накопление (т.е. поддержание промежуточной суммы) расхода текучей среды, измеряемой каждым из ультразвуковых расходомеров за заданный промежуток времени. Конструкция и работа каждого из ультразвуковых расходомеров 702 может соответствовать приведенному выше описанию. Однако каждый расходомер 702 может иметь отличающийся размер (т.е. каждый отрезок трубы образует центральный канал отличающегося размера). Например, расходомер природного газа, используемый на электростанции, может содержать несколько параллельных и независимых измерительных секций, каждая из которых оптимизирована для конкретного диапазона расходов природного газа. Вычислитель 700 расхода может, таким образом, накапливать данные о расходах газа от каждого из ультразвуковых расходомеров 702 для определения полного расхода природного газа, поступающего на электростанцию.
Приведенный в качестве примера вычислитель 700 расхода содержит процессор 704, соединенный с ОЗУ 706, ПЗУ 708, портом связи 710 и портом связи 712. Процессор 704 представляет собой устройство, в котором исполняются машинные коды для выполнения задач по суммированию данных расхода, и также определяется, есть или нет жидкость в каждом ультразвуковом расходомере 702. ПЗУ 708 представляет собой энергонезависимое запоминающее устройство, в котором хранятся машинные коды операционной системы, а также машинные коды, посредством которых должны осуществляться различные варианты выполнения. ОЗУ 706 представляет собой оперативное запоминающее устройство для процессора 704, и перед исполнением некоторые машинные коды и/или наборы данных могут быть скопированы из ПЗУ 708 в ОЗУ 704. В альтернативных вариантах доступ к некоторым машинным кодам и наборам данных может быть непосредственно из ПЗУ 708. Порт 710 связи представляет собой устройство, посредством которого вычислитель 700 расхода связывается с устройствами, находящимися выше по информационному потоку, например системой сбора данных. Аналогично, порт 712 связи представляет собой устройство, посредством которого вычислитель 700 расхода осуществляет связь с ультразвуковыми расходомерами 702. В альтернативных вариантах осуществления вычислитель расхода может иметь отдельный порт 712 связи для каждого ультразвукового расходомера 702, а в других вариантах осуществления один порт связи может обеспечивать соединение как с ультразвуковыми расходомерами, так и с находящимися выше по информационному потоку устройствами. В то время как процессор 704, ОЗУ 706, ПЗУ 708 и порты 710, 712 связи показаны как отдельные устройства, в альтернативных вариантах осуществления используются микроконтроллеры, в которых объединены процессорное ядро, ОЗУ, ПЗУ и порты связи.
В соответствии с этими вариантами осуществления конфигурация по крайней мере одного из ультразвуковых расходомеров 702 обеспечивает отсылку данных, характерных для скоплений жидкости в нижней части расходомера газа. В некоторых случаях данные, направляемые к вычислителю 700 расхода, являются электронными представлениями принятой акустической энергии. В других случаях данные, направляемые к вычислителю 700 расхода, представляют скорости потока газа вблизи каждого хордового пути расходомера. В других случаях данные, направляемые к вычислителю расхода, являются параметрами, характеризующими эпюру скорости потока внутри расходомера. Соответственно конфигурация вычислителя 700 расхода и, в частности, процессора 704 и порта 712 связи обеспечивает прием этих параметров. В соответствии с вариантами выполнения, приведенными в качестве примера, конфигурация вычислителя 700 расхода позволяет определить наличие жидкости в соответствующем расходомере, используя любой из описанных выше способов. Таким образом, если ультразвуковой расходомер не обладает достаточной вычислительной мощностью для выполнения вычислений для определения наличия жидкости, вычисления могут быть выполнены вычислителем расхода, к которому подключен ультразвуковой расходомер.
Пользуясь приведенным выше описанием, специалисты легко могут объединить подготовленные согласно описанному выше машинные коды с соответствующими универсальными или специализированными компьютерными аппаратными средствами для создания вычислительной системы и/или вычислительных субкомпонентов в соответствии с различными вариантами осуществления для создания вычислительной системы и/или вычислительных субкомпонентов, осуществляющих способы в соответствии с различными вариантами осуществления, и/или для создания машиночитаемого носителя для хранения машинных кодов для выполнения способов в соответствии с различными вариантами осуществления.
Приведенное рассмотрение предназначено для иллюстрации принципов и различных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Ознакомившиеся с настоящим описанием специалисты могут предложить различные изменения и модификации. Приведенная ниже формула должна восприниматься как охватывающая все подобные изменения и модификации.