ВИБРАЦИОННЫЙ РАСХОДОМЕР И СПОСОБ ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ ПОПРАВКИ НА УВЛЕЧЕННЫЙ ГАЗ В ТЕКУЩЕМ МАТЕРИАЛЕ
VIBRATORY FLOW METRE AND PROCEDURE FOR INTRODUCTION OF CORRECTION FOR ENTRAINED GAS IN FLOWING MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к вибрационному расходомеру и способу, а более конкретно, к вибрационному расходомеру и способу для введения поправки на увлеченный газ в текущем материале.
ОПИСАНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Датчики с вибрирующими трубками, такие как кориолисовы массовые расходомеры и вибрационные денситометры, обычно работают посредством обнаружения движения вибрирующей трубки, которая содержит текущий материал. Свойства, связанные с материалом в трубке, такие как массовый расход, плотность и т.п., могут быть определены посредством обработки измерительных сигналов, принимаемых от измерительных преобразователей, связанных с трубкой. На режимы колебаний заполненной вибрирующем материалом системы, в общем, влияют комбинированные характеристики массы, жесткости и демпфирования вмещающей трубки и материала, содержащегося в ней.
Типичный кориолисов массовый расходомер включает в себя одну или более трубок, которые соединены в линию в трубопровод или другую транспортную систему и переносят материал, например, жидкости, суспензии и т.п., в системе. Каждая трубка может рассматриваться как имеющая набор собственных видов колебаний, в том числе, но не только, простое изгибание, скручивание, радиальное колебание и связанные виды колебаний. В типичном варианте применения измерения кориолисова массового расхода трубка возбуждается одним или более видов колебаний по мере того, как материал протекает через трубу, и движение трубки измеряется в точках, разнесенных вдоль трубки. Возбуждение типично обеспечивает посредством привода, например электромеханического устройства, такого как привод типа звуковой катушки, который периодически возмущает трубку. Удельный массовый расход может быть определен посредством измерения временной задержки или разности фаз между движениями в местоположениях измерительных преобразователей. Два таких измерительных преобразователя (или измерительных датчика) типично используются для того, чтобы измерять вибрационную характеристику расходомерной трубки или трубок и типично располагаются в местоположениях до и после привода по ходу потока. Эти два измерительных преобразователя подключены к измерительной посредством кабельной проводки, например двух независимых пар проводов. Измерительная аппаратура принимает сигналы от этих двух измерительных датчиков и обрабатывает сигналы, чтобы выводить результаты измерения удельного массового расхода.
Расходомеры используются для того, чтобы выполнять измерения удельного массового расхода для широкого разнообразия потоков жидкости. Одна область, в которой потенциально могут использоваться кориолисовы расходомеры, заключается в измерении на нефтяных и газовых скважинах. Продукция таких скважин может содержать многофазный поток, включающий в себя нефть или газ, но также включающий в себя другие компоненты, в том числе, например, воду и воздух. Очень желательно, чтобы результирующее измерение было максимально точным, даже для таких многофазных потоков.
Кориолисовы датчики предлагают высокую точность для однофазных потоков. Тем не менее, когда кориолисов расходомер используется для того, чтобы измерять аэрированные жидкости или жидкости, включающие в себя увлеченный газ, точность датчика может значительно ухудшаться. Увлеченный газ обычно присутствует в качестве пузырьков в текущем материале. Размер пузырьков может варьироваться в зависимости от качества присутствующего газа, давления текущего материала, температуры и степени смешения в трубопроводе. Степень снижения эффективности связана не только с тем, сколько всего газа присутствует, но также с размером отдельных газовых пузырьков в потоке. Размер пузырьков влияет на точность измерения. Большие пузырьки занимают больше объема, приводя к колебаниям плотности текущего материала. Вследствие сжимаемости газа пузырьки могут изменять количество газа, при этом необязательно изменяться по размеру. Наоборот, если давление изменяется, размер пузырьков может соответствующим образом изменяться, расширяясь по мере того, как давление падает, или сжимаясь по мере того, как давление повышается. Это также может вызывать изменения собственной или резонансной частоты расходомера.
Другой проблемой, вызываемой газовыми пузырьками, является проскальзывание. Небольшие пузырьки обычно перемещаются с жидким текущим материалом по мере того, как расходомер вибрирует. Тем не менее, большие пузырьки не перемещаются с жидкостью в ходе вибрации расходомерной трубки. Наоборот, пузырьки могут терять связь с жидкостью и могут перемещаться независимо от жидкости. Следовательно, жидкость может обтекать вокруг пузырьков. Это негативно влияет на вибрационный отклик расходомера.
В данной области техники существует потребность в вибрационном расходомере, который обнаруживает проблематичные уровни увлеченного газа. В данной области техники существует потребность в вибрационном расходомере, который позволяет точно измерять характеристики потока при наличии увлеченного газа.
В данной области техники остается потребность в вибрационном расходомере, который может точно измерять характеристики потока при любом уровне увлеченного газа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вибрационный расходомер для введения поправки на увлеченный газ в текущем материале предложен согласно варианту осуществления изобретения. Вибрационный расходомер содержит расходомер в сборе, выполненный с возможностью формировать вибрационную характеристику для текущего материала, датчик размера пузырьков, выполненный с возможностью формировать сигнал измерения пузырьков для текущего материала, и измерительная электроника, соединенная с расходомером в сборе и с датчиком размера пузырьков. Измерительная электроника выполнена с возможностью принимать вибрационную характеристику и сигнал измерения пузырьков, определять размер пузырьков в текущем материале с использованием, по меньшей мере, сигнала измерения пузырьков, определять одну или более характеристик потока текущего материала с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и размера пузырьков.
Вибрационный расходомер для введения поправки на увлеченный газ в текущем материале предложен согласно варианту осуществления изобретения. Вибрационный расходомер содержит расходомер в сборе, выполненный с возможностью формировать вибрационную характеристику для текущего материала, датчик размера пузырьков, выполненный с возможностью формировать сигнал измерения пузырьков для текущего материала, и измерительную электронику, соединенную с расходомером в сборе и с датчиком размера пузырьков. Измерительная электроника выполнена с возможностью принимать вибрационную характеристику и сигнал измерения пузырьков, определять размер пузырьков в текущем материале с использованием, по меньшей мере, сигнала измерения пузырьков, определять одну или более характеристик потока текущего материала с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и формировать сигнал тревоги, если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер, при этом сигнал тревоги указывает на то, что одна или более характеристик потока превысила предварительно определенный допуск на погрешность измерения.
Способ введения поправки на увлеченный газ в текущем материале предложен согласно варианту осуществления изобретения. Способ содержит определение размера пузырьков в текущем материале с использованием, по меньшей мере, измерения колебаний текущего материала, формирование вибрационной характеристики посредством задания вибрации расходомерной трубки в сборе и определение одной или более характеристик потока с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и размера пузырьков.
Способ введения поправки на увлеченный газ в текущем материале предложен согласно варианту осуществления изобретения. Способ содержит определение размера пузырьков в текущем материале с использованием, по меньшей мере, измерения колебаний текущего материала, формирование вибрационной характеристики посредством задания вибрации расходомерной трубки в сборе и определение одной или более характеристик потока текущего материала с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и формирование сигнала тревоги, если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер, при этом сигнал тревоги указывает на то, что одна или более характеристик потока превысила предварительно определенный допуск на погрешность измерения.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте вибрационного расходомера датчик размера пузырьков измеряет реакцию пузырьков на вибрацию одного или более пузырьков в текущем материале.
В другом аспекте вибрационного расходомера датчик размера пузырьков вызывает вибрацию в текущем материале и впоследствии измеряет реакцию пузырьков на вибрацию.
В другом аспекте вибрационного расходомера датчик размера пузырьков акустически вызывает вибрацию в текущем материале и впоследствии измеряет реакцию пузырьков на вибрацию.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера датчик вибраций пузырьков является отдельным и независимым от расходомера в сборе.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера датчик вибраций пузырьков выполнен, как часть расходомера в сборе.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера датчик вибраций пузырьков содержит, по меньшей мере, один измерительный датчик расходомера в сборе.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера определение размера пузырьков содержит определение размера по существу наибольшего пузырька в текущем материале.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера определение размера пузырьков дополнительно содержит определение размера пузырьков в текущем материале, которые превышают предварительно определенный пороговый размер.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера измерительная электроника дополнительно выполнена с возможностью формировать сигнал тревоги, если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер, при этом сигнал тревоги указывает то, что одна или более характеристик потока превысила предварительно определенный допуск на погрешность измерения.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера дополнительно содержится этап формирования выходных данных размера пузырьков.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера дополнительно содержится этап формирования индикации изменения параметров потока, если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера определение одной или более характеристик потока дополнительно содержит определение одной или более характеристик потока с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и размера пузырьков, только если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера формирование сигнала тревоги дополнительно содержит формирование выходных данных размера пузырьков, указывающих размер пузырьков.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера формирование сигнала тревоги дополнительно содержит формирование выходных данных размера пузырьков по существу наибольшего пузырька в текущем материале.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера формирование сигнала тревоги дополнительно содержит формирование индикации изменения параметров потока, если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер.
В еще одном аспекте вибрационного расходомера измерительная электроника дополнительно выполнена с возможностью определять одну или более характеристик потока с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и размера пузырьков.
В одном аспекте способа определение размера пузырьков содержит определение размера по существу наибольшего пузырька в текущем материале.
В другом аспекте способа определение размера пузырьков дополнительно содержит определение размера пузырьков в текущем материале, которые превышают предварительно определенный пороговый размер.
В еще одном аспекте способа способ дополнительно содержит формирование сигнала тревоги, если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер, при этом сигнал тревоги указывает то, что одна или более характеристик потока превысила предварительно определенный допуск на погрешность измерения.
В еще одном аспекте способа способ дополнительно содержит формирование выходных данных размера пузырьков.
В еще одном аспекте способа способ дополнительно содержит формирование индикации изменения параметров потока, если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер.
В еще одном аспекте способа определение характеристики потока дополнительно содержит определение одной или более характеристик потока с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и размера пузырьков, только если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер.
В еще одном аспекте способа формирование сигнала тревоги дополнительно содержит формирование выходных данных размера пузырьков.
В еще одном аспекте способа формирование сигнала тревоги дополнительно содержит формирование индикации изменения параметров потока, если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер.
В еще одном аспекте способа способ дополнительно содержит определение одной или более характеристик потока с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и размера пузырьков.
В еще одном аспекте способа определение одной или более характеристик потока дополнительно содержит определение одной или более характеристик потока с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и размера пузырьков, только если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает расходомер, содержащий расходомер в сборе и измерительную электронику.
Фиг.2 показывает вибрационный расходомер согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.3 показывает блок-схему последовательности операций способа введения поправки на увлеченный газ в текущем материале в вибрационном расходомере.
Фиг.4 является графиком статистического распределения размеров пузырьков в текущем материале.
Фиг.5 показывает пузырек радиуса R, перемещающийся относительно материала потока жидкости.
Фиг.6 показывает объем вытесняемой жидкости и пузырек до и после проскальзывания в материале потока жидкости.
Фиг.7 показывает блок-схему последовательности операций способа введения поправки на увлеченный газ в текущем материале в вибрационном расходомере.
Фиг.8 показывает вибрационный расходомер согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.9 показывает вибрационный расходомер согласно варианту осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1-9 и последующее описание показывают конкретные примеры, чтобы обучать специалистов в данной области техники тому, как создавать и применять оптимальный режим осуществления изобретения. В целях изучения принципов изобретения некоторые традиционные аспекты упрощены или опущены. Специалисты в данной области техники должны принимать во внимание отклонения от этих примеров, которые попадают в пределы объема изобретения. Специалисты в данной области техники должны принимать во внимание, что признаки, описанные ниже, могут комбинироваться различными способами, чтобы формировать несколько вариантов изобретения. Как результат, изобретение ограничено не конкретными примерами, описанными ниже, а только формулой изобретения и ее эквивалентами.
Фиг.1 показывает расходомер 5, содержащий расходомер 10 в сборе и измерительную электронику 20. Измерительная электроника 20 подключена к измерителю 10 в сборе через выводы 100 и выполнена с возможностью предоставлять измерения одного или более из плотности, удельного массового расхода, объемного расхода, суммарного массового расхода, температуры и другой информации по каналу 26 связи. Специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что настоящее изобретение может использоваться в любом типе кориолисова расходомера независимо от числа приводов, измерительных датчиков, расходомерных трубок или рабочего режима колебаний. Помимо этого следует понимать, что расходомер 5 альтернативно может содержать вибрационный денситометр.
Расходомер 10 в сборе включает в себя пару фланцев 101 и 101', коллекторы 102 и 102', привод 104, измерительные датчики 105 и 105' и расходомерные трубки 103А и 103В. Привод 104 и измерительные датчики 105 и 105' соединены с расходомерными трубками 10 ЗА и 103В.
В одном варианте осуществления, как показано, расходомерные трубки 103А и 103В представляют собой практически U-образные расходомерные трубки. Альтернативно, в других вариантах осуществления расходомерные трубки могут представлять собой практически прямые расходомерные трубки. Тем не менее, другие формы также могут использоваться и находятся в пределах объема описания и формулы изобретения.
Фланцы 101 и 101' прикреплены к коллекторам 102 и 102'. Коллекторы 102 и 102' могут быть прикреплены к противоположным концам разделителя 106. Распорка 106 сохраняет разнесение между коллекторами 102 и 102', чтобы предотвращать нежелательные вибрации в расходомерных трубах 103А и 103В. Когда расходомер 10 в сборе вставляется в систему трубопровода (не показано), которая транспортирует измеряемый текущий материал, текущий материал поступает в расходомер 10 в сборе через фланец 101, проходит через впускной коллектор 102, где общее количество текущего материала направляется для входа в расходомерные трубки 103А и 103В, протекает через расходомерные трубки 103А и 103В и обратно в выпускной коллектор 102', где он выходит из измерителя 10 в сборе через фланец 101'.
Расходомерные трубки 103А и 103В выбираются и надлежащим образом устанавливаются на впускном коллекторе 102 и на выпускном коллекторе 102', чтобы иметь практически одинаковое распределение масс, моменты инерции и модули упругости вокруг осей изгиба W-W и W-W, соответственно. Расходомерные трубки 103А и 103В идут снаружи от коллекторов 102 и 102' практически параллельно.
Расходомерные трубки 103А и 103В возбуждаются посредством привода 104 в противоположных направлениях вокруг соответствующих осей изгиба W и W и в том, что называется первым режимом несовпадающего по фазе сгиба расходомера 5. Привод 104 может содержать одну из многих известных компоновок, таких как магнит, устанавливаемый на расходомерной трубке 103А, и противостоящая катушка, устанавливаемая в расходомерной трубке 103В. Переменный ток проходит через противостоящую катушку, чтобы заставлять обе трубки колебаться. Надлежащий сигнал возбуждения направляется измерительной электроникой 20 к приводу 104 через вывод 110.
Измерительная электроника 20 принимает сигналы датчика на выводах 111 и 111', соответственно. Измерительная электроника 20 формирует сигнал возбуждения на выводе 110, который заставляет привод 104 колебать расходомерные трубки 103А и 103В. Измерительная электроника 20 обрабатывает левый и правый сигналы скорости от измерительных датчиков 105 и 105', чтобы вычислять удельный массовый расход. Канал 26 связи образует средство ввода и вывода, которое дает возможность измерительной электронике 20 взаимодействовать с оператором или с другими электронными системами. Описание по фиг.1 предоставляется просто в качестве примера операции кориолисова расходомера и не имеет намерения ограничивать идею настоящего изобретения.
Одна стандартная проблема в измерении одной или более характеристик потока возникает, когда имеется увлеченный воздух (или любой газ) в текущем материале. Увлеченный газ может присутствовать в качестве пузырьков варьирующегося размера. Когда пузырьки являются относительно небольшими, они оказывают незначительный эффект на измерения расхода жидкости. Тем не менее, по мере того как размер пузырьков увеличивается, ошибка в измерениях расхода жидкости также увеличивается.
Фиг. 2 показывает вибрационный расходомер 99 согласно варианту осуществления изобретения. Вибрационный расходомер 99 включает в себя расходомер 10 в сборе, датчик 50 размера пузырьков и измерительную электронику 20. Измерительная электроника 20 соединена с расходомером 10 в сборе посредством выводов 100. Измерительная электроника 20 соединена с датчиком 50 размера пузырьков посредством одного или более выводов 51 в варианте осуществления, показанном на этом чертеже. Расходомер 10 в сборе и датчик 50 размера пузырьков могут быть соединена с трубкой 90, которая проводит текущий материал. Текущий материал может содержать двухфазный или многофазный поток.
Расходомер 99 формирует улучшенное измерение характеристик потока. Измерение характеристик потока улучшается при наличии пузырьков увлеченного газа в текущем материале. Например, расходомер 99 может формировать улучшенное измерение плотности для текущего материала. Тем не менее, следует понимать, что расходомер 99 дополнительно может обеспечивать измерение расхода текущего материала. Как результат, расходомер 99 может содержать вибрационный денситометр и/или кориолисов расходомер. Другие дополнительные измерения расхода жидкости могут быть сформированы и находятся в пределах объема описания и формулы изобретения.
Измерительная электроника 20 в одном варианте осуществления выполнена с возможностью вызывать вибрацию в расходомерных трубках 103А и 103В. Вибрация осуществляется посредством привода 104. Измерительная электроника 20 дополнительно принимает результирующие колебательные сигналы от измерительных датчиков 105 и 105'. Колебательные сигналы представляют собой вибрационную характеристику расходомерных трубок 103А и 103В. Измерительная электроника 20 обрабатывает вибрационную характеристику и определяют одну или более характеристик потока, таких как плотность, масса и/или объемный расход и т.д.
Датчик 50 размера пузырьков может составлять неотъемлемую часть вибрационного расходомера 99 и может быть выполнен как часть расходомера 10 в сборе. Альтернативно, датчик 50 размера пузырьков может представлять собой отдельный компонент, который является отдельным и независимым от расходомера 10 в сборе. В другой альтернативе, датчик 50 размера пузырьков может быть частью расходомера 10 в сборе и может содержать, по меньшей мере, один измерительный датчик 105 и/или 105' расходомера 10 в сборе.
Датчик 50 размера пузырьков выполнен с возможностью формировать сигнал измерения пузырьков для текущего материала. Датчик 50 размера пузырьков может измерять реакцию пузырьков на вибрацию одного или более пузырьков в текущем материале и формировать сигнал измерения пузырьков из вибрационной характеристики пузырьков. Датчик 50 размера пузырьков может пассивно обнаруживать вибрации пузырьков. Альтернативно, датчик 50 размера пузырьков может вызывать вибрацию в текущем материале и затем может измерять реакцию пузырьков на вибрацию.
Вибрации в некоторых вариантах осуществления представляет собой акустические вибрации. Альтернативно, в других вариантах осуществления вибрации являются неакустическими.
Датчик 50 размера пузырьков в некоторых вариантах осуществления содержит активный элемент, который как формирует, так и обнаруживает вибрации. Датчик 50 размера пузырьков в этом варианте осуществления может вызывать вибрацию в соответствующей расходомерной трубке или текущем материале и может принимать результирующие вибрации. Наведенные вибрации могут быть проанализированы, чтобы определять размеры пузырьков увлеченного газа в текущем материале. Датчик 50 размера пузырьков альтернативно может вызывать вибрацию в потоке непосредственно, например, через порт в трубке. Альтернативно, в других вариантах осуществления датчик 50 размера пузырьков содержит пассивное устройство, которое просто обнаруживает и принимает вибрации. Датчик 50 размера пузырьков может обнаруживать вибрации трубки, в том числе, например, трубки расходомера 10 в сборе, или может непосредственно обнаруживать вибрации текущего материала. Датчик 50 размера пузырьков может принимать вибрации, формируемые посредством потока текущего материала, причем вибрации могут обрабатываться, чтобы определять размер или размеры пузырьков.
Расходомер 10 в сборе выполнен с возможностью формировать вибрационную характеристику для текущего материала. Измерительная электроника 20 может принимать и обрабатывать сигнал измерения пузырьков и вибрационную характеристику, чтобы определять размер пузырьков, помимо прочего. Измерительная электроника 20 может принимать и обрабатывать сигнал измерения пузырьков и вибрационную характеристику, чтобы определять размер пузырьков в текущем материале, превышающий предварительно определенный пороговый размер. Измерительная электроника 20 может принимать и обрабатывать сигнал измерения пузырьков и вибрационную характеристику, чтобы определять размер по существу наибольшего пузырька в текущем материале.
Измерительная электроника 20 может принимать и обрабатывать сигнал измерения пузырьков и вибрационную характеристику, чтобы определять одну или более характеристик потока с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и размера пузырьков (см. фиг.3 и сопровождающее пояснение). Альтернативно, измерительная электроника 20 может принимать и обрабатывать сигнал измерения пузырьков и вибрационную характеристику, чтобы формировать сигнал тревоги, если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер (см. фиг.7 и сопровождающее пояснение). Сигнал тревоги, следовательно, может указывать, что характеристика потока превысила предварительно определенный допуск на погрешность измерения.
Измерительная электроника 20 может формировать выходные данные размера пузырьков. В некоторых вариантах осуществления выходные данные размера пузырьков содержат размер одного или более пузырьков. В некоторых вариантах осуществления выходные данные размера пузырьков содержат размер по существу наибольшего пузырька в текущем материале. Выходные данные размера пузырьков могут быть сохранены и/или переданы оператору или могут быть переданы в удаленное местоположение или устройство.
Измерительная электроника 20 может формировать индикацию изменения параметров потока, если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер. Индикация изменения параметров потока может предлагать оператору или специалисту изменять параметры потока в расходомере 99, к примеру, посредством изменения расхода, давления в потоке или других параметров потока.
Измерительная электроника 20 может определять одну или более характеристик потока на основе размера пузырьков. Например, размер пузырьков может коррелироваться со значением объемного газосодержания и удельного массового расхода либо объемный расход может регулироваться соответствующим образом. В некоторых вариантах осуществления измерительная электроника 20 определяет одну или более характеристик потока, только если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер.
Модель жидкости содержит уравнения движения сферической частицы в колеблющемся потоке, как, например, описано в работе R Clift., Grace J.R и Weber M.E., "Bubbles, Drops and Particles", N.Y., Academic Press, 1978, стр. 306-314, включенной в данный документ по ссылке. Решение уравнений находят посредством решения неустановившихся уравнений Стокса и последующего использования эмпирических коррекций для различных членов, чтобы учитывать более высокие числа Рейнольдса, как можно обнаруживать в некоторых вариантах применения кориолисовых измерителей.
Фиг.3 показывает блок-схему 300 последовательности операций способа введения поправки на увлеченный газ в текущем материале в вибрационном расходомере. На этапе 301 размер пузырьков определяется через измерение размера одного или более пузырьков в текущем материале. Датчик размера пузырьков может использоваться для того, чтобы определять размер пузырьков. Размер пузырьков может быть определен с использованием вибрационного измерения размера пузырьков или акустического измерения размера пузырьков, как пояснено ранее. Измерение размера пузырьков подробно поясняется ниже, после пояснения блок-схемы 300 последовательности операций способа.
Размер пузырьков в некоторых вариантах осуществления представляет собой мгновенный размер пузырьков. Размер пузырьков в некоторых вариантах осуществления содержит практически средний размер пузырьков. Размер пузырьков в некоторых вариантах осуществления содержит измерение размера пузырьков, превышающих предварительно определенный пороговый размер. Размер пузырьков в некоторых вариантах осуществления содержит размер по существу наибольшего пузырька. Может использоваться размер по существу наибольшего пузырька, поскольку наибольшие пузырьки в текущем материале должны иметь наибольшее влияние и воздействие на измеренные характеристики потока.
На этапе 302 вибрационная характеристика формируется посредством наведения вибрации в расходомерной трубке в сборе. Вибрационная характеристика должна варьироваться согласно потоку текущего материала в расходомерной трубке в сборе.
На этапе 303 одна или более характеристик потока определяются с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики и размера пузырьков. Одна или более характеристик потока могут включать в себя, например, плотность текущего материала. Одна или более характеристик потока могут включать в себя, например, удельный массовый расход текущего материала. Тем не менее, другие характеристики потока допускаются и находятся в пределах объема описания и формулы изобретения.
Определение может обеспечивать высокий уровень точности одной или более характеристик потока. Например, на измерение плотности, как известно, влияет увлеченный газ в жидком текущем материале, что, также, известно как условие двухфазного потока, и, следовательно, плотность может быть более точно и надежно определена с использованием размера пузырьков. Размер пузырьков (и необязательно число пузырьков) может использоваться для того, чтобы определять практически мгновенный газовый объем в текущем материале. Газовый объем может вычитаться из практически мгновенного объемного расхода.
В некоторых вариантах осуществления, этап определения может быть основан на текущем размере пузырьков. Например, если обнаруживаемые пузырьки не превышают предварительно определенный пороговый размер, то определение может необязательно выполняться с использованием только вибрационной характеристики. Наоборот, когда размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер, то этап определения может использовать, по меньшей мере, вибрационную характеристику и размер пузырьков. Пороговое значение может быть установлено так, чтобы этап определения выполнялся только тогда, когда влияние размера пузырьков и увлеченного газа становится значительным.
Кориолисовы измерители требуют, чтобы текущий материал перемещался полностью с расходомерными трубками в ходе колебания. Когда газовые пузырьки введены, это допущение больше недействительно, поскольку имеется, по меньшей мере, некоторое относительное движение или потеря связи между этими двумя фазами. Модель жидкости для прогнозирования поведения движущихся флюидов позволяет прогнозировать влияние потери связи в кориолисовом измерителе. Дополнительно, модель флюидов может использоваться для того, чтобы компенсировать увлеченный газ в текущем материале, когда размер пузырьков известен.
Размер пузырьков в трубопроводе или трубке - это комплексная функция от геометрии линии, расхода и других свойств жидкости. Точное распределение пузырьков в измерителе может измеряться в реальном времени, и модель жидкости может использоваться для того, чтобы компенсировать ошибки, связанные с потерей связи и может обеспечивать возможность усовершенствований в измерениях увлеченного газа.
Несколько компаний предлагают измерение размера пузырьков на основе акустики многофазного потока, в том числе ABS Acoustic Bubble Spectrometer от DynaFlow, Inc, Jessup, Maryland, и в том числе продукт StreamTone от CSIRO Manufacturing & Materials Technology, Clayton, Australia. Принцип измерения является очень простым. Каждый пузырек колеблется радиально на собственной частоте, когда попадает в такт с возмущениями давления в потоке или возмущениями давления от внешних источников. Частота колебаний (ω) моды первого порядка является главным образом функцией от размера пузырька согласно следующему:
где член (a) - это радиус пузырька, член (ρ) - это плотность жидкости текущего материала, член (γ) - это коэффициент удельной теплоемкости текущего материала, а член (p) - это давление жидкости. Измерение содержит возбуждение пузырька либо с помощью турбулентного потока, либо посредством активного возбуждения на определенных частотах и последующего приема и анализа возвращаемых частот.
Колебательное измерение размера пузырьков может не являться высокоточным или надежным для меньших пузырьков. Тем не менее, может быть желательным измерять только пузырьки, превышающие определенный размер, поскольку меньшие газовые пузырьки демонстрируют незначительное влияние на точность расходомера.
Фиг.4 является графиком статистического распределения размеров пузырьков в текущем материале. Общеизвестно, что распределение пузырьков в трубопроводе хорошо описывается посредством логарифмически нормального распределения, значительно искажаясь для меньших диаметров. Как показано ниже, значительно искажаясь для меньших диаметров. Как показано ниже, это является полезным, поскольку это означает, что имеется небольшое количество больших пузырьков, содержащих большую часть газового объема. Как и в случае нормального распределения, среднее значение и среднеквадратическое отклонение, как должно быть известно, задают форму распределения. Для последующих разработок эти параметры представляют типичные потоки воды и газа при умеренных расходах.
Предусмотрено два аспекта управления в отношении ошибки потери связи в кориолисовом расходомере. На измеритель влияет объем газа в измерителе, поскольку этот объем определяет величину жидкости с потерей связи, когда относительное движение возникает между этими двумя фазами. Другими словами, для измерителя не имеет значения, сколько имеется пузырьков, а вместо этого на него влияет объем жидкости, которую вытесняют эти пузырьки. Во-вторых, если данный пузырек является настолько небольшим, что он не теряет связь с жидкостью, в таком случае он не вызывает ошибок и не должен учитываться. Только большие пузырьки должны иметь значение с точки зрения потери связи. Эффект от одного пузырька 5-миллиметров в диаметре может вызывать большую ошибку в измерителе, чем от сотен 0,5-миллиметровых пузырьков.
С точки зрения объема при распределении имеют значение только небольшое количество больших пузырьков, поскольку они содержат почти весь суммарный объем. Это интуитивно понятно, поскольку объем сферы является кубом ее радиуса.
Тем не менее, есть другой переход к большим размерам пузырьков, когда рассматривается фактическая потеря связи, прогнозируемая посредством модели флюидов. Модель прогнозирует, что для очень небольших размеров пузырьков потеря связи отсутствует. Таким образом, для обычного логарифмически нормального распределения, которое уже искажено для меньших размеров, многие из пузырьков в распределении полностью блокируются одновременно с жидкостью и не вызывают ошибки в измерениях плотности или массового расхода.
Выяснилось, что размер пузырьков соотносится с частотой колебания пузырька. Следовательно, размер пузырьков может быть определен посредством обнаружения вибрационной характеристики. Если только имеющие наибольший размер, т.е. наиболее значимые пузырьки в потоке должны обнаруживаться, то должен анализироваться относительно низкочастотный сигнал примерно в диапазоне 800-2000 Гц. Это намного превышает частоты большей части вибраций от насосов и других компонентов. Как результат, принимаемая вибрационная характеристика может анализироваться на предмет радикального увеличения принимаемого сигнала примерно между 800-2000 Гц, что должно представлять большие пузырьки в потоке.
При условии, что характеристики жидкости известны, и размеры пузырьков в измерителе известны, величина относительного движения (т.е. потеря связи), возникающая в измерителе, может вычисляться. Следовательно, может быть определено то, насколько дальше перемещается каждый пузырек, чем жидкость, что указывает точно, сколько жидкости вытеснено обратно в другом направлении в ответ на движение пузырька. Это приводит непосредственно к определению погрешности плотности и объемного газосодержания через линейное уравнение с одним неизвестным. Способ содержит подход на основе центра тяжести. Следует понимать, что другие способы допускаются и находятся в пределах объема описания и формулы изобретения.
р
p
f
f
f
Фиг.5 показывает пузырек радиуса R, перемещающийся относительно материала потока жидкости. Пузырек содержит сферическое тело в текучей среде. Текучая среда колеблется синхронно с расходомерной трубкой. Частица имеет радиус R и перемещается на суммарное расстояние в (А) с каждым колебанием трубки от нуля до пика. Наибольший интерес заключается в том, как далеко пузырек перемещается через жидкость, а не в ее абсолютном движении относительно лабораторной системы отсчета. Это относительное движение может быть задано как (A-A), где (A) - это амплитуда непрерывной текучей среды. Амплитуда жидкости (A), по существу, является амплитудой вибрации расходомерной трубки известной величины.
Чертеж показывает пузырек, перемещающийся от средней линии движения трубки (левой позиции на чертеже) до максимальной амплитуды колебаний на одной стороне. Суммарный объем, на который воздействует частица, перемещающаяся от нуля до пиковой амплитуды через жидкость, является следующим;
Тем не менее, фактический объем жидкости, который перемещается, не включает в себя объем газового пузырька. Только объем жидкости, который перемещается в ходе вибрации расходомерной трубки, представляет интерес, и задается следующим образом:
С использованием этого объема и вышеупомянутого чертежа можно видеть, что анализ центра тяжести может использоваться для того, чтобы находить среднее вытеснение жидкости по пути пузырька. Уравнение для центра тяжести вытесняемой жидкости перед тем, как пузырек перемещается от нуля до пика , следующее:
after
Уравнение для центра тяжести вытесняемой жидкости после того, как пузырек перемещается от нуля до пика (X), следующее:
2
p
f
Таким образом, объем (πR (A-A) ) перемещается на среднее расстояние (-4/3R) для каждого колебания трубки от нуля до пикового вытеснения.
Фиг.6 показывает объем вытесняемой жидкости и пузырек до и после потери связи в материале потока жидкости. Член (X) - это центр тяжести объема вытесняемой жидкости. Чертеж показывает смещение центра тяжести (X) вследствие потери связи. Смещение центра тяжести (X) возникает в противовес вибрации расходомерной трубки.
Тем не менее, знание количества жидкости, которая перемещается обратно, не является полезным для определения эффекта на измерение плотности. Вместо этого требуется эквивалентный объем, который должен перемещаться обратно на то же расстояние, на какое трубка перемещается вперед, чтобы формировать такое же изменение в центре тяжести. В таком случае можно предположить, что этот объем не участвует в колебании трубки, и масса, содержащаяся в объеме, отсутствует в измерении плотности. Это содержит неизменность вычисления объема при условии, что пузырек не изменяется в объеме в ходе колебания. Следующее вычисление находит неучаствующий объем.
или:
Неучаствующий объем содержит объем частицы, умноженный на отношение относительного смещения частицы к смещению трубки. При суммировании по всем частицам в трубке, результат может быть сформулирован в показателях объемного газосодержания (Г):
или:
p
f
Результат отражает перемещение газовой сферы вправо (A-A) и перемещение жидкой сферы на идентичное расстояние влево. Такие же способы и уравнения дополнительно могут использоваться для того, чтобы извлекать неучаствующий объем.
actual
decoupled
Уравнения для фактической плотности (ρ) и плотности с развязыванием (ρ) могут задаваться следующим образом:
Ошибка плотности может вычисляться как разность между плотностью и фактической плотностью с потерей связи, поделенной на фактическую плотность:
р
Это уравнение непосредственно дает ошибку плотности до тех пор, пока относительное движение частиц, т.е. члены А известны из модели жидкости. Измерение размера пузырьков и известные характеристики жидкости текущего материала предоставляют информацию, требуемую для модели жидкости. С этой информацией вывод плотности измерителя может корректироваться. Помимо этого информация дополнительно может использоваться для того, чтобы определять объемное газосодержание Г, поскольку фактическая плотность жидкости уже известна из характеристик жидкости текущего материала.
Использование измерения размера пузырьков обеспечивает полностью независимое измерение, которое может использоваться для того, чтобы очень надежно обнаруживать наличие газа. Технология не только обеспечивает возможность обнаружения газа, но может предоставлять оценку того, насколько увлеченный газ влияет на измерения расхода жидкости.
Фиг.7 показывает блок-схему последовательности операций способа 700 введения поправки на увлеченный газ в текущем материале в вибрационном расходомере. На этапе 701 определяется размер пузырьков, как пояснено ранее.
На этапе 702 вибрационная характеристика формируется посредством вызывания вибрации в расходомерной трубке в сборе. Одна или более характеристик потока текущего материала определяются с использованием, по меньшей мере, вибрационной характеристики. Определение дополнительно может включать в себя использование размера пузырьков.
На этапе 703 размер пузырьков сравнивается с предварительно определенным пороговым размером. Предварительно определенный пороговый размер в некоторых вариантах осуществления может содержать допустимый порог увлеченного газа. Если размер пузырьков меньше или равен предварительно определенному пороговому размеру, то размер пузырьков является допустимым, и способ обходит этап 704 и завершается. Если размер пузырьков превышает предварительно определенный пороговый размер, то размер пузырьков является недопустимым, и способ переходит к этапу 704.
На этапе 704 формируется сигнал тревоги. Сигнал тревоги указывает, что одна или более характеристик потока превысила предварительно определенный допуск на погрешность измерения. Например, если пузырьки являются слишком большими, то на измерение плотности текущего материала можно оказываться негативное влияние, и оно может быть неприемлемо точным вследствие увлеченного газа. Другие характеристики потока также могут ухудшаться вследствие увлеченного газа.
Формирование сигнала тревоги может включать в себя ввод условия сигнала тревоги в измерительной электронике 20. Формирование сигнала тревоги может включать в себя передачу условия или индикатора сигнала тревоги в другие устройства, например в систему мониторинга. Формирование сигнала тревоги может включать в себя формирование любого типа визуального или звукового сигнала тревоги.
Формирование сигнала тревоги дополнительно может включать в себя передачу, отображение или иное указание размера пузырьков, к примеру формирование выходных данных размера пузырьков. Размер пузырьков может содержать наибольший размер пузырьков. Альтернативно, выходные данные размера пузырьков могут содержать обычный размер пузырьков или средний размер пузырьков.
В некоторых вариантах осуществления формирование сигнала тревоги дополнительно может содержать формирование индикации смешения, который указывает на необходимость изменения параметров потока. В некоторых вариантах осуществления формирование сигнала тревоги дополнительно может содержать изменение параметров потока. Например, давление текущего материала может увеличиваться, чтобы понижать ошибку увлеченного газа. Повышенное давление может уменьшать размер пузырьков. Альтернативно, расход может увеличиваться, чтобы разрывать пузырьки и обеспечивать действие смешения. В другой альтернативе, действие смешения может быть инициировано, чтобы разрушать пузырьки или иным образом уменьшать размеры пузырьков.
Индикация смешения может предлагать изменение параметров потока, чтобы разрушать пузырьки или иным образом уменьшать размеры пузырьков.
Фиг.8 показывает вибрационный расходомер 99 согласно варианту осуществления изобретения. Вибрационный расходомер 99 в этом варианте осуществления включает в себя измерительную электронику 20 и измеритель 10 в сборе. Измеритель 10 в сборе содержит расходомерные трубки 103А и 103В, привод 104 и измерительные датчики 105 и 105'. Измеритель 10 в сборе соединен с измерительной электроникой 20 посредством выводов 100, как и ранее. Помимо этого датчик 50 размера пузырьков может содержать секцию расходомера 10 в сборе и может быть соединен с измерительной электроникой 20 посредством линии 51. Датчик 50 размера пузырьков этого варианта осуществления может находиться в любом месте расходомера 10 в сборе или альтернативно может входить в расходомерную трубку расходомера 10 в сборе. В некоторых вариантах осуществления датчик 50 размера пузырьков может содержать вибродатчик или датчик, прикрепленный или составляющий часть расходомерной трубки.
Фиг.9 показывает вибрационный расходомер 99 согласно варианту осуществления изобретения. Вибрационный расходомер 99 в этом варианте осуществления использует один из измерительных датчиков 105 как в качестве измерительного датчика, так и в качестве датчика 50 размера пузырьков. Следовательно, расходомер 10 в сборе соединен с измерительной электроникой 20 посредством выводов 100. Выводы 100 передают как вибрационную характеристику, так и измерение размера пузырьков.
Вибрационный расходомер и способ согласно изобретению при необходимости могут использоваться согласно любому из вариантов осуществления, чтобы предоставлять несколько преимуществ. Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы определять точные характеристики потока. Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы определять одну или более измеренных характеристик потока, когда увлеченный газ присутствует в текущем материале. Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы определять характеристики потока, получаемые из расходомера в сборе, только если размер пузырьков превышает пороговый размер.
Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы определять размер пузырьков. Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы определять объем пузырьков. Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы определять количество увлеченного газа, включающее в себя объем увлеченного газа. Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы определять объемное газосодержание в текущем материале.
Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы определять пузырьки, превышающие критический размер. Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы определять объем критических пузырьков. Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы формировать сигнал тревоги, если размер пузырьков превышает пороговый размер. Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы формировать выходные данные размера пузырьков. Вибрационный расходомер и способ могут использоваться для того, чтобы формировать индикацию изменения параметров потока, если размер пузырьков превышает пороговый размер.