УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА
DEVICE FOR MEASUREMENT OF FLOW PARAMETRES

Область техники к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для измерения плотности и/или удельного массового расхода в потоке с увлеченным газом, в частности к устройству, которое измеряет скорость звука, распространяющегося через поток, для определения объемной доли газа (GVF) в потоке, с целью уточнения или корректировки данных измерения плотности или удельного массового расхода, полученных измерителем Кориолиса.
Уровень техники
Измерители Кориолиса (кориолисов измеритель) широко используются в промышленности для измерения потоков, представляя один из крупнейших и быстро растущих сегментов рынка промышленных расходомеров. Измерители Кориолиса известны своей высокой точностью, а измерение массового расхода и плотности является их основным видом измерения.
За годы, прошедшие с момента появления в 80-х годах в промышленности измерителей Кориолиса, они заслужили репутацию высококачественных, точных измерителей для ответственных применений - в основном, в области химической переработки. Несмотря на популярность измерителей Кориолиса, они, однако, страдают ухудшением качества при работе с двухфазными потоками, в основном, содержащими пузырьки смесями газ/жидкость.
Аэрированные потоки или потоки, содержащие пузырьки, создают две фундаментальные проблемы для измерителей Кориолиса. Во-первых, потоки с пузырьками создают сложности для работы измерителей Кориолиса. В большинстве измерителей Кориолиса используются электромагнитные приводы для сообщения вибрации расходомерной трубке на ее собственной частоте. В измерителях используются вибрирующие трубки для генерирования кориолисовых сил, под действием которых происходит запаздывание распространения в одном плече расходомерной трубки относительно другого. Кориолисовы силы, а значит, и фазовая задержка, строго пропорциональны массовому расходу в расходомерной трубке. Трубки обычно возбуждаются на резонансной частоте либо вблизи нее, в силу чего возбуждающие силы, необходимые для поддержания определенной амплитуды вибраций в трубках, в значительной мере определяются затуханием в устройстве. Однофазные смеси вносят незначительное затухание вибраций согнутых трубок, при этом, однако, введение пузырьков газа приводит к существенному увеличению затухания в устройстве. В результате, для поддержания вибраций в трубках в случае потоков с пузырьками требуется большие затраты энергии. Зачастую потребность в энергии превышает имеющиеся возможности, в результате чего происходит "срыв" измерителя Кориолиса.
Более того, для измерителей Кориолиса часто требуется много времени для подстройки при быстрых изменениях резонансной частоты расходомерной трубки при появлении пузырьковых или аэрированных потоков. Эти временные задержки, на время которых расходомерная трубка по существу не работает, значительно снижают возможность применения измерителей Кориолиса во многих случаях, где имеет значение работа с двухфазным потоком и время перестройки, как, например, при периодических процессах. Этой проблеме срыва и раньше, и в настоящее время уделяется большое внимание в промышленности.
Во-вторых, многофазные потоки создают проблемы в отношении точности измерений. Проблемы с точностью, создаваемые аэрированными потоками, обусловлены тем, что многие из фундаментальных предположений, лежащих в основе принципа работы измерителей Кориолиса, становятся менее справедливыми в отношении аэрированного потока. В настоящем изобретении предлагаются средства для улучшения точности измерителей Кориолиса, работающих с текучими средами любых типов, особенно двухфазных пузырьковых потоков и смесей.
Содержание всех заявок США, по которым испрашивается приоритет для настоящего изобретения, и других документов, упомянутых ниже, следует считать полностью включенным в настоящее описание посредством ссылки.
Раскрытие изобретения
Объектом настоящего изобретения является устройство (система), имеющее прибор для определения скорости распространения звука в потоке текучей среды в трубе (трубопроводе) для определения объемной доли газа в технологической текучей среде или потоке, протекающем по трубе, и введения уточнения для повышения точности измерения плотности и/или удельного массового расхода измерителем Кориолиса.
В соответствии с настоящим изобретением, предлагается устройство измерения параметров потока для измерения плотности протекающей по трубе текучей среды. Устройство измерения параметров потока включает измеритель Кориолиса, средство измерения скорости звука, распространяемого в потоке текучей среды, и узел обработки (данных). Измеритель Кориолиса имеет по крайней мере одну трубку, установленную с возможностью протекания через нее текучей среды с формированием частотного сигнала, характеризующего собственную частоту трубки, и/или фазового сигнала, характеризующего разность фазы между двумя трубками. Средство измерения скорости звука установлено с возможностью выдачи по меньшей мере одного сигнала, выбранного из группы, содержащей сигнал, характеризующий скорость распространения звука в текучей среде (СЗ-сигнал), сигнал, характеризующий объемную долю газа в текучей среде (ОДГ-сигнал), и сигнал приведенной частоты, характеризующий приведенную частоту текучей среды. Узел обработки подключен с возможностью определения скорректированного результата измерения удельного массового расхода в ответ на получение (на основе) по меньшей мере одного сигнала, выбранного из группы, содержащей СЗ-сигнал, ОДГ-сигнал, сигнал приведенной частоты и фазовый сигнал, и/или определения скорректированного результата измерения плотности в ответ на получение СЗ-сигнала, ОДГ-сигнала, сигнала приведенной частоты и частотного сигнала.
В частных вариантах осуществления изобретения средство измерения скорости звука подключено с возможностью обеспечения определения объемной доли газа в потоке текучей среды. Измеритель Кориолиса содержит по меньшей мере одну трубку, на которой установлена решетка датчиков с возможностью выполнения измерения скорости звука в протекающей в трубке текучей среде. Решетка датчиков включает датчики измерения деформации.
В других частных вариантах осуществления измеритель Кориолиса содержит трубку, на которой установлен датчик измерения скорости звука в протекающей в трубке текучей среде, или измеритель Кориолиса содержит установленный на трубе датчик измерения скорости звука в протекающей в трубе текучей среде.
Трубка измерителя Кориолиса может иметь согнутую или прямую форму.
Узел обработки может иметь возможность определения сигнала состава текучей среды, характеризующего плотность неаэрированной части текучей среды, на основе СЗ-сигнала и скорректированного результата измерения плотности.
Вышеприведенные и иные цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с приведенным ниже подробным описанием примеров его выполнения.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 приведено схематически устройство измерения параметров потока для измерения плотности и/или удельного массового расхода с поправкой на газ, увлеченный потоком текучей среды, проходящим по трубе, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.2 приведено схематически другая устройство измерения параметров потока для измерения плотности и/или удельного массового расхода с поправкой на газ, увлеченный потоком текучей среды, проходящим по трубе, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.3 приведена функциональная блок-схема средства обработки устройства измерения параметров потока, аналогичной показанной на Фиг.1, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.4 приведена схематически модель измерителя Кориолиса, через который не протекает текучая среда, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.5 приведена схематически модель измерителя Кориолиса, через который протекает текучая среда, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.6 приведена схематически модель измерителя Кориолиса, через который протекает аэрированная текучая среда, чем обусловлена сжимаемость аэрированной текучей среды, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.7 приведена зависимость собственной частоты трубок от объемной доли газа в потоке текучей среды, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.8 приведена зависимость приведенной частоты от объемной доли газа в потоке текучей среды, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.9 приведено схематическое изображение влияния неоднородности потока текучей среды на трубку измерителя Кориолиса, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.10 схематически показана модель измерителя Кориолиса, через который протекает аэрированная текучая среда, которая обуславливает неоднородность сжимаемости аэрированной текучей среды, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.11 представлена зависимость объемной плотности от объемной доли газа в потоке текучей среды при отличающихся критических коэффициентах затухания газа, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.12 представлена зависимость приведенной частоты от объемной доли газа в потоке текучей среды для нескольких измерителей Кориолиса, отличающихся собственной частотой трубок, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.13 схематически представлена установка испытания измерителя Кориолиса с аэрированной текучей средой, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.14 представлена зависимость объемной плотности от объемной доли газа для измерителя Кориолиса, имеющего трубки диаметром 1 дюйм, на резонансной частоте 100 Гц, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.15 представлена зависимость объемной плотности от объемной доли газа для измерителя Кориолиса, имеющего трубки диаметром 1 дюйм (25,4 мм), на резонансной частоте 300 Гц, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.16 представлена зависимость от времени объемной плотности, скорректированной объемной плотности и объемной доли газа для измерителя Кориолиса при изменении объема увлеченного газа, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.17 представлена зависимость приведенной частоты от скорости звука, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.18 представлена зависимость коэффициента плотности и коэффициента массового расхода от объемной доли газа, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.19 представлена зависимость от времени удельного массового расхода, скорректированного удельного массового расхода и объемной доли газа для измерителя Кориолиса, а также удельного массового расхода, измеренного электромагнитным измерителем потока, при изменении объема увлеченного газа, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.20 представлена блок-схема измерителя объемной доли газа, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.21 представлена блок-схема другого варианта выполнения измерителя объемной доли газа, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.22 представлена зависимость "частота/волновое число" для обработанных данных от решетки датчиков давления, использованных для измерения скорости звука в потоке текучей среды, проходящей по трубе, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.23 представлена зависимость скорости звука в текучей среде от объемной доли газа при различных давлениях, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.24 представлен перспективный вид измерителя Кориолиса, имеющего решетку датчиков, расположенную на трубке указанного измерителя, в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.25 представлен перспективный вид иного варианта выполнения измерителя Кориолиса, имеющего решетку датчиков, расположенную на трубке указанного измерителя, в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Измеритель Кориолиса обеспечивает измерение массового расхода и/или плотности потока текучей среды 12, проходящего по трубе 14. Как подробно было описано выше, измеритель Кориолиса дает ошибочные результаты измерения массового расхода и плотности, если в потоке текучей среды присутствует увлеченный газ (например, газовые пузырьки). Настоящее изобретение представляет средства для коррекции погрешности измерителя Кориолиса для получения скорректированных или уточненных результатов измерения плотности и/или массового расхода.
Как показано на Фиг.1, вариант выполнения устройства 10 измерения параметров потока, в котором используется настоящее изобретение, включает измеритель 16 Кориолиса, средство 18 измерения скорости звука (СЗ) и узел 20 обработки для измерения одного или более из следующих параметров потока среды, а именно, объемной доли газа, скорости распространения звука в потоке текучей среды, нескорректированной плотности, скорректированной плотности и состава. Поток текучей среды может любым потоком аэрированной текучей среды или смеси, включающей жидкость, взвеси, смеси твердого вещества с жидкостью, смеси жидкостей, и иным многофазным потоком.
В данном варианте выполнения, измеритель 16 Кориолиса вырабатывает частотный сигнал 21, определяющий собственную частоту трубок измерителя Кориолиса с текучей средой 12, и фазовый сигнал 23, определяющий задержку фазы в трубках измерителя Кориолиса. Средство 18 измерения скорости звука вырабатывает СЗ-сигнал 24, определяющий скорость распространения звука в потоке текучей среды. Узел 20 обработки обрабатывает частотный сигнал, фазовый сигнал и СЗ-сигнал для получения по крайней мере одного из параметров потока текучей среды, упомянутых выше. Сигналы 26, 28 давления и/или температуры могут быть также поданы на узел 20 обработки, которые могут быть использованы для получения более точных результатов измерений объемной доли газа. Давление и температура могут быть измерены или оценены известными способами.
Измеритель Кориолиса может представлять собой любой известный измеритель Кориолиса, например, с двухдюймовой (50,8 мм) изогнутой трубкой производства фирмы МикроМоушен Инк. (MicroMotion Inc.), и с двухдюймовой прямой трубкой производства фирмы Эндресс и Хаузер Инк. (Endress&Hauser Inc.). Измерители Кориолиса содержат пару изогнутых трубок (например, U-образных, в форме кренделя), либо прямые трубки, как это будет описано далее.
Средство 18 измерения скорости звука включает любые средства для измерения скорости распространения звука по аэрированному потоку текучей среды 12. Один из способов используется пара ультразвуковых датчиков, расположенных вдоль оси на трубе 14, и производится измерение времени распространения ультразвукового сигнала между ультразвуковыми передатчиком и приемником. В зависимости от характеристик потока, частота ультразвукового сигнала должна быть сравнительно низкой для снижения рассеяния внутри потока. Измеритель аналогичен описанному в патентной заявке США №10/756922 (номер реестра CiDRA CORP. CC-0699), поданной 13 января 2004 г., включенной в настоящее описание посредством ссылки.
В альтернативном варианте, как показано на Фиг.2, 20 и 21, средство измерения скорости звука может представлять собой измеритель объемной доли газа (ОДГ), который содержит измерительный преобразователь (датчик) 116, имеющий несколько датчиков 118-121 деформации или давления, расположенных вдоль оси на трубе для измерения акустических давлений 190, распространяющихся в потоке текучей среды 12. Измеритель (измерительное средство) 100 объемной доли газа (ОДГ-измеритель) определяет и вырабатывает первый сигнал 27, показывающий скорость звука в текучей среде, и второй сигнал 29, показывающий объемную долю газа потока текучей среды 12, что будет подробно описано ниже.
mix
На Фиг.3 представлена функциональная схема 30 устройства измерения параметров потока, изображенной на Фиг.2. Как показано, ОДГ-измеритель 100 для измерения скорости звука a измеряет акустические давления, распространяющиеся в текучей среде. ОДГ-измеритель вычисляет по крайней мере объемную долю газа (GVF) текучей среды и/или приведенную собственную частоту, используя результат измерения скорости звука. ОДГ-измеритель может также использовать давление в технологическом потоке для определения объемной доли газа. Давление может быть измеренным или оцененным.
Для определения уточненного значения плотности в измерителе Кориолиса, рассчитанная объемная доля газа и/или приведенная частота вводятся в узел 20 обработки. Уточненное значение плотности определяется с использованием аналитических или экспериментальных моделей калибровки плотности (или полученных из них формул), и представляет собой функцию измеренной собственной частоты и по крайней мере одного параметра из группы, включающей измеренную объемную долю газа, приведенную частоту и скорость звука, либо любую их комбинацию, как это будет подробно описано ниже. Измеренное значение уточненной плотности есть плотность аэрированного потока, проходящего по трубе.
В настоящем изобретении также рассматривается определение уточненной информации о составе аэрированного потока. Другими словами, по известным скорости распространения звука в потоке и уточненной плотности, узел 20 обработки может определить плотность текучей среды/смеси в многофазном потоке.
mix
i
i
Например, плотность (ρ) аэрированного потока связана с объемной долей фазы компонентов (ϕ) и плотностью компонентов (ρ).
Где, в силу условия целостности
gas
mix
nongas
Устройство 10 обеспечивает уточненное измерение плотности аэрированного потока. Для двухкомпонентной смеси, знание плотности (ρ), объемной плотности газа (либо скорости звука) и точное измерение плотности (ρ) смеси обеспечивает определение плотности (ρ) нe газовой части потока текучей среды. Например, для двухкомпонентного потока текучей среды
mix
nongas
nongas
gas
gas
ρ=ρϕ+ρϕ
nongas
mix
gas
gas
nongas
nongas
gas
Поэтому ρ=(ρ-ρϕ)/ϕ, где ϕ=1-ϕ
mix
nongas
nongas
gas
gas
Здесь ρ представляет плотность смеси, ρ, ϕ представляют плотность и долю фазы соответственно не газового компонента текучей среды, a ρ, ϕ представляют соответственно плотность и долю фазы увлеченного газа в смеси.
gas
gas
mix
nongas
Таким образом, знание плотности (ρ) газа/воздуха, измеренной объемной доли газа (ϕ) и уточненного результата измерения плотности (ρ) аэрированного потока, который должен быть скорректирован на увлеченный газ, позволяет определить плотность (ρ) нeгазовой части аэрированного потока текучей среды 12, что дает уточненную информацию о составе аэрированного потока текучей среды 12.
В настоящем изобретении предусмотрена коррекция или уточнение результата измерения удельного массового расхода измерителем 16 Кориолиса, как это показано на Фиг.3. Для определения уточненного значения уточненного массового расхода для измерителя Кориолиса, вычисленное значение объемной доли газа и/или приведенной частоты подается в узел 20 обработки. Уточненное значение удельного массового расхода определяется с использованием полученных аналитически или экспериментально моделей калибровки массового расхода (либо полученных из них формул) и представляет собой функцию измеренной разности фаз (Δϕ) и, по крайней мере, одного параметра из группы, включающей измеренную объемную долю газа, приведенную частоту и скорость звука, либо любую их комбинацию, как это будет подробно описано ниже. Для определения уточненного значения плотности для измерителя Кориолиса, вычисленная объемная доля газа и/или приведенная частота подаются в узел 20 обработки. Уточненная плотность определяется с использованием полученных аналитически или экспериментально моделей калибровки плотности/моделей параметра (либо полученных из них формул) и представляет собой функцию измеренной собственной частоты и, по крайней мере, одного параметра из группы, включающей измеренную объемную долю газа, приведенную частоту и скорость звука, либо любую их комбинацию, как это будет подробно описано ниже. Уточненный результат измерения массового расхода представляет собой удельный массовый расход аэрированного потока, протекающего по трубе.
gas
В то время как уточненные результаты измерения массового расхода и плотности могут быть функцией объемной доли газа, скорости звука и приведенной частоты, в настоящем изобретении предусматривается, что эти уточненные результаты измерений могут быть функцией других параметров, например затухания в газе ζ.
gas
Кроме того, несмотря на то, что на функциональной схеме показано, что узел 20 обработки может уточнить как результаты измерения плотности, так и результаты измерения плотности измерителем 16 Кориолиса, в изобретении предусмотрено, что обработкой может корректироваться или уточняться один из параметров - плотность или удельный массовый расход. Результаты расчетов для модели с сосредоточенными параметрами, показанной на Фиг.10, которые приведены далее, подтверждают известное ухудшение точности измерителей плотности с вибрирующими трубками из-за влияния аэрации. Эти модели могут быть использованы для качественной иллюстрации роли нескольких безразмерных параметров, влияющих на работу измерителей в аэрированных текучих средах. По этим моделям можно понять, что объемная доля газа играет доминирующую роль, хотя и несколько остальных параметров, включая затухание в газе ζ и приведенную частоту, также оказывают влияние.
Хотя упрощенные модели позволяют понять механизм влияния различных параметров, численный анализ вызывает затруднения вследствие сложностей, присущих динамике многофазных текучих сред с изменяющимися параметрами. Более того, трудность, связанная с коррекцией на влияние аэрации в оценке плотности жидкости, осложняется не только превращением измерителя Кориолиса из хорошо известного устройства, используемого в пространстве однородных, квазистационарных параметров, в устройство, работающее в сложном, неоднородном, изменяющемся пространстве, но и неспособностью существующих измерителей Кориолиса точно определять степень аэрации обрабатываемой смеси.
Подход, предложенный в данном изобретении, отличается тем, что измерение скорости звука в технологической текучей среде объединяется с измерением собственной частоты измерителя плотности с вибрирующей трубкой для создания устройства с улучшенной точностью измерения в аэрированных текучих средах. При использовании измерения скорости звука в реальном масштабе времени производится учет влияния аэрации на многих уровнях с тем, чтобы обеспечить возможность посредством измерения плотности с использованием вибрирующей трубки получать данные о плотности жидкости при наличии увлеченного воздуха, с точностью, характерной для измерений неаэрированных жидкостей. Во-первых, посредством измерения скорости звука с использованием технологического давления может быть с высокой точностью и в реальном масштабе времени определена степень аэрации технологической текучей среды. Во-вторых, после этого измеренные данные скорости звука в реальном масштабе времени и полученные оценки объемной доли газа используются вместе с экспериментально полученными корректирующими коэффициентами для улучшения оценки измеренной собственной частоты вибрирующих трубок на основе плотности аэрированной текучей среды. В-третьих, одновременное знание плотности аэрированной смеси и скорости звука в аэрированной смеси позволяет определить плотность жидкого неаэрированного компонента, что дает уточненные данные о составе. Следует заметить, что жидкая фаза включает чистые жидкости, смесь жидкостей, а также смеси жидкостей с твердым веществом.
Описана методика повышения точности измерений плотности аэрированных жидкостей с использованием вибрирующих трубок. В большинстве устройств измерения плотности, присутствие небольшого, но неизвестного количества увлеченной газовой фазы в технологической смеси может привести к существенным ошибкам как при измерении плотности смеси, так и при оценке плотности жидкой фазы.
В одном варианте выполнения настоящего изобретения, описан способ измерения плотности текучей среды, в котором для определения плотности аэрированных жидкостей совмещены измерения скорости звука сонаром с измерениями плотности посредством вибрирующей трубки, обычно используемой в измерителях массы и плотности. Добавление выходных данных измерителя Кориолиса к результатам измерения скорости звука представляет два новых фактора в решении проблемы улучшения точности измерения плотности аэрированных текучих сред. Во-первых, измерения объемной доли газа с использованием измерения скорости звука дают основанные на первичных измерениях в реальном масштабе времени данные по объемной доле газа и сжимаемости аэрированной технологической текучей среды. Во-вторых, значение скорости звука в технологической текучей среде может быть использовано для компенсации влияния повышенной сжимаемости и неоднородности аэрированных смесей на результаты кориолисовых измерений плотности.
Для иллюстрации фундаментальных механизмов, через которые аэрация влияет на результат измерений плотности с использованием вибрирующих трубок, разработана упрощенная модель с сосредоточенными параметрами, описывающая влияние аэрации в вибрирующих трубках. Модель показывает, что влияние аэрации обусловлено, по крайней мере, двумя независимыми механизмами: 1) неоднородностью плотности дискретных газовых пузырьков и 2) повышенной сжимаемостью смеси вследствие ее аэрации. Выводы анализа подкрепляются экспериментальными данными, которые показывают, что дополнение результатов измерения плотности измерителем Кориолиса результатами измерения скорости звука существенно повышает способность определять плотность аэрированных жидкостей с точностью, которая достигается для неаэрированных смесей.
Измерение плотности измерителем Кориолиса
Хотя конкретные параметры конструкции измерителей 16 Кориолиса весьма многообразны, все измерители Кориолиса, по существу, представляют собой аэроупругие устройства. Аэроупругость является термином, предложенным в авиации и описывающим динамическое взаимодействие связанных систем динамической текучей среды и динамической конструкции, например статической и динамической реакции самолета на воздействие аэродинамических сил. Кориолисовы измерители потока (расходомеры Кориолиса) основаны на определении аэроупругой реакции заполненных текучей средой вибрирующих трубок 302 для проведения измерений как удельного массового расхода, так и плотности технологической текучей среды (см. Фиг.24 и 25).
Физический принцип, используемый для определения плотности технологической текучей среды в измерителе 16 Кориолиса, аналогичен тому, что используется в измерителях плотности на основе вибрирующей трубки. В этих устройствах, плотность технологической текучей среды в потоке текучей среды 12 определяется путем соотнесения собственной частоты трубки, заполненной текучей средой, с плотностью технологической текучей среды. Для иллюстрации этого принципа, рассмотрим вибрационную реакцию расходомерной трубки с вакуумом.
struct
struct
В этой модели, схематически представленной на Фиг.4, частота колебаний определяется отношением между эффективной жесткостью (k) трубок и эффективной массой (m) трубок.
Введение текучей среды в трубку изменяет собственную частоту колебаний. Для квазистационарной и однородной модели текучей среды 12, основное влияние текучей среды выражается в заполнении трубки массой. Текучая среда обычно оказывает ничтожное влияние на жесткость системы. Таким образом, в рамках этой модели, масса текучей среды 12 прямо добавляется к массе конструкции, как это показано на Фиг.5.
Масса текучей среды 12 в трубке пропорциональна плотности текучей среды, и поэтому собственная частота уменьшается с увеличением плотности согласно приведенному ниже выражению:
где β представляет собой постоянную калибровки, определяемую геометрией и вибрационными характеристиками вибрационной трубки.
nat
После преобразования, алгебраическое соотношение между измеренной собственной частотой f вибрирующей трубки и плотностью текучей среды внутри трубки может быть записано следующим образом:
Обозначая отношение между эффективной массой текучей среды и массой конструкции через α, получаем выражение для собственной частоты трубки с текучей средой:
Приведенные выражения представляют основу для точного определения плотности технологической текучей среды в большинстве условий работы. Некоторые предположения фундаментального характера, касающиеся взаимодействия текучей среды 12 и конструкции, могут, однако, нарушаться в различных условиях работы. В частности, аэрированные текучие среды в вибрирующих трубках в двух отношениях ведут себя по иному в сравнении с однофазными текучим средами, а именно обладают повышенной сжимаемостью и повышенной неоднородностью текучей среды.
Сжимаемость текучей среды
Хорошо известно, что большинство аэрированных жидкостей значительно лучше поддаются сжатию, чем неаэрированные текучие среды. Сжимаемость текучей среды непосредственно связана со скоростью звука и плотностью текучей среды 12.
Плотность смеси и скорость звука в смеси могут быть связаны с плотностью компонентов смеси следующими правилами создания смесей, которые применимы к однофазным и хорошо диспергированным смесям и которые составляют основу измерения количества захваченного воздуха с использованием скорости звука в среде.
i
где  и  - коэффициент сжимаемости смеси, а ϕ - объемная доля фазы данного компонента.
В соответствии с приведенными выше соотношениями, введение воздуха в воду радикально повышает сжимаемость смеси текучей среды 12. Например, при нормальном давлении воздух приблизительно в 25000 более сжимаем, чем вода. Таким образом, добавление 1% увлеченного воздуха увеличивает сжимаемость смеси в 250 раз. В принципе, такое повышение сжимаемости приводит к появлению динамических эффектов, изменяющих динамику аэрированной смеси внутри вибрирующей трубки по сравнению с динамикой существенно несжимаемой однофазной текучей среды.
Воздействие сжимаемости текучей среды 12 может быть учтено в модели вибрирующей трубки с сосредоточенными параметрами, как это схематически показано на Фиг.6. Жесткость пружины представляет сжимаемость текучей среды. Собственная частота первой поперечной акустической моды в круглом волноводе может быть использована для оценки соответствующей постоянной для пружины в данной модели:
Следует отметить, что эта частота соответствует длине волны акустических колебаний, равной приблизительно двум диаметрам, то есть эта поперечная мода тесно связана с "полуволновым" акустическим резонансом трубки. На Фиг.7 показана зависимость резонансной частоты первой поперечной акустической моды в полудюймовой (12,7 мм) трубке от объемной доли газа для увлеченного воздуха в воде при нормальных температуре и давлении. Для небольших количеств увлеченного воздуха, частота первой поперечной акустической моды сравнительно высока по сравнению с обычными конструктивными резонансными частотами измерителей Кориолиса, приблизительно равными 100 Гц. С увеличением объема увлеченного воздуха, частоты акустического резонанса быстро снижаются.
При описании аэроупругих систем, часто удобно определить параметр приведенной частоты для оценки влияния взаимодействия между связанными динамическими системами. Для вибрирующей трубки с текучей средой, приведенная частота может быть определена как отношение собственной частоты конструкции системы к собственной частоте динамической системы с текучей средой.
struct
mix
В этом выражении f представляет собой собственную частоту трубок в вакууме, D - диаметр трубок, a - скорость звука в технологической текучей среде. В данном применении, когда приведенная частота становится пренебрежимо малой по сравнению с 1, режим работы системы приближается к квазистационарному. В этих случаях вполне применимы модели, в которых не учитывается сжимаемость текучей среды, например, как на Фиг.6. Однако влияние нестационарности нарастает по мере увеличения приведенной частоты. В конкретном измерителе Кориолиса, скорость звука в смеси определяющим образом влияет на изменение приведенной частоты. На Фиг.8 показана зависимость приведенной частоты от количества увлеченного воздуха для однодюймовой (25,4 мм) трубки, у которой собственная конструктивная частота равна 100 Гц. Как показано, приведенная частота достаточно мала для неаэрированной воды, однако быстро нарастает с увеличением объемной доли газа, показывая, что степень сжимаемости увеличивается с увеличением объемной доли газа. При анализе измерителей Кориолиса с различными конструктивными параметрами видно, что увеличение собственной частоты трубки или диаметра трубки увеличивает влияние нестационарности для данного уровня аэрации.
Неоднородность текучей среды
0
Помимо значительного увеличения сжимаемости текучей среды 12, аэрация создает неоднородность в текучей среде. В режимах потока, где газ увлечен полем непрерывного потока жидкости, эффекты аэрации первого порядка могут быть промоделированы с использованием теории пузырьков. Рассматривая движение несжимаемой сферы с плотностью ρ, находящейся в невязкой, несжимаемой текучей среде с плотностью ρ и приводимой в движение текучей средой, можно показать, что скорость сферы равна:
Для большинства увлеченных жидкостью газов, плотность сферы на порядки меньше плотности текучей среды, а скорость пузырька приблизительно в три раза больше скорости текучей среды.
Рассматривая этот результат применительно к движению сферы через поперечное сечение вибрирующей трубки, можно отметить, что увеличенная скорость движения сферы по сравнению с остальной текучей средой должна приводить к тому, что часть остальной текучей среды в меньшей степени участвует в колебательном процессе, что приводит к снижению кажущейся инерционности системы.
На Фиг.9 показано действие неоднородности на колебания трубки, заполненной аэрированной жидкостью в модели с сосредоточенными параметрами. В этой модели, газовый пузырек 40 с объемной долей ϕ соединен через шарнир 42 с компенсационной массой текучей среды объемом 2Г. Шарнир жестко прикреплен к наружной трубке 44. Действие вязкости может быть промоделировано демпфером 46, присоединенным так, чтобы ограничивать движение газового пузырька 40 относительно остальной жидкости и самой трубки. Оставшийся объем жидкости в поперечном сечении (1-3Г) заполнен невязкой текучей средой. В предельном случае отсутствия вязкости, компенсирующая масса текучей среды 48 (2Г) не участвует в колебаниях, а скорость невесомого пузырька газа в три раза превышает скорость трубки. Подобное относительное движение приводит к уменьшению эффективной инерции текучей среды внутри трубки до (1-3Г) раз по сравнению с трубкой, заполненной однородной текучей средой. В предельном случае высокой вязкости, более высокая постоянная демпфирования снижает до минимума взаимное перемещение пузырька газа и жидкости, а эффективная инерция аэрированной текучей среды приближается к 1-Г. Эффективная инерция, которую предсказывает эта модель аэрированной, но несжимаемой текучей среды, вибрирующей внутри трубки, согласуется со значениями, представленными у Хемпа и др. 2003 г., в предельных случаях высокой и низкой вязкости.
Следует иметь в виду, что в узле обработки эти модели могут использоваться независимо либо вместе в модели с сосредоточенными параметрами.
Комбинированная модель с сосредоточенными параметрами
Были представлены модели, учитывающие воздействие аэрации на измерители плотности с вибрирующими трубками, в которых разделены воздействия сжимаемости и неоднородности. На Фиг.10 схематически представлена модель с сосредоточенными параметрами, учитывающая воздействие сжимаемости и неоднородности с использованием разработанных выше моделей, отражающих особенности соответствующих механизмов.
Sт
Уравнения движения в приведенной выше модели с сосредоточенными параметрами, решение которых имеет форму е, где s является комплексной частотой, могут быть выражены в безразмерном виде следующим образом:
Параметры, управляющие динамическим откликом модели, определены в приведенной ниже таблице 1.
Таблица 1
Определение безразмерных параметров уравнения движения для модели с сосредоточенными параметрами трубки, заполненной сжимаемой, аэрированной текучей средой
Символ
Описание
Определение
α
Отношение масс
m<sub>fluid</sub>/m<sub>struct</sub>
Q
Отношение собственных частот
ω<sub>fluid</sub>/ω<sub>struct</sub>
ζ<sub>f</sub>
Критическое относительное затухание системы текучей среды
b<sub>fluid</sub>/(2m<sub>fluid</sub>ω<sub>fluid</sub>)
ζ<sub>s</sub>
Критическое относительное затухание конструкции
b<sub>struct</sub>/(2m<sub>struct</sub>ω<sub>struct</sub>)
ζ<sub>g</sub>
Критическое относительное затухание конструкции
b<sub>gas</sub>/(2m<sub>fluid</sub>ω<sub>struct</sub>)
т
Безразмерное время
tω<sub>struct</sub>
Y
Безразмерная производная по времени от x
dx/dт
Решение задачи на собственные значения 6 порядка, описанной выше, дает возможность оценить влияние различных параметров на измеряемую плотность. Собственная частота основной моды трубки, предсказываемая решением задачи на собственные значения, вводится в отношение "частота/плотность" из квазистационарной, однородной модели для нахождения кажущейся плотности текучей среды 12 следующим образом:
В качестве исходного примера, был проведен анализ типового измерителя Кориолиса, параметры которого приведены в Таблице 2.
gas
gas
gas
gas
Для некоторого измерителя Кориолиса, степень аэрации оказывает решающее воздействие на различие между действительной и кажущейся плотностью смеси. Тем не менее, важную роль также играют и другие параметры, определяемые моделью с сосредоточенными параметрами. Например, параметр затухания ζ, связанный с движением пузырьков газа относительно текучей среды в трубке, является параметром, определяющим реакцию системы на аэрацию. Влияние ζ на кажущуюся плотность смеси показано на Фиг.11. Видно, что при ζ, стремящемся к нулю, кажущаяся плотность стремится к 1-3Г, то есть измеритель занижает плотность аэрированной смеси на 2Г. Если, однако, ζ возрастает, кажущаяся плотность приближается к действительной плотности текучей среды 1-Г.
Влияние сжимаемости проиллюстрировано Фиг.12, где предсказываемая моделью наблюдаемая плотность показана в функции объемной доли газа для различных измерителей, отличающихся только собственной частотой трубок. Видно, что собственная частота трубок, в основном, через посредство влияния приведенной рабочей частоты при данном уровне аэрации, может существенно повлиять на отношение между фактической и кажущейся плотностями аэрированной текучей среды.
Экспериментальные данные
На Фиг.13 показана установка, разработанная для экспериментальной проверки работы измерителя Кориолиса с аэрированной водой. В установке используется электромагнитный измеритель потока на однофазном потоке воды в качестве опорного датчика удельного расхода, и акустический ОДГ-измеритель 100 для определения объемной доли газа в аэрированных смесях.
gas
Плотность жидкого компонента аэрированной жидкости, например воды, принимается постоянной. Были испытаны несколько измерителей Кориолиса различной конструкции и разных фирм-изготовителей. На Фиг.14 представлены результаты измерения кажущейся плотности измерителем Кориолиса с трубками диаметром 1 дюйм, имеющими конструктивную резонансную частоту 100 Гц. Данные были получены при расходах в пределах 100-200 г/мин и давлениях на входе измерителя Кориолиса от 16 до 26 фунтов/кв. дюйм (от 110,4 до 179,4 кПа). Показана теоретически точная плотность аэрированной смеси для фактора плотности 1-Г, а также результат, полученный согласно квазистационарной теории невязкого пузырька с фактором 1-3Г. Также изображен фактор плотности, полученный на модели с сосредоточенными параметрами при ζ, установленным равным 0,02. Видно, что кажущаяся плотность, определяемая измерителем Кориолиса, в значительной мере коррелирована с объемной долей газа, измеряемой ОДГ-измерителем 100. Видно, что модель с сосредоточенными параметрами достаточно хорошо отражает эту связь.
gas
На Фиг.15 представлена кажущаяся плотность, измеренная посредством измерителя Кориолиса с 1-дюймовыми трубками, имеющими конструкционную резонансную частоту около 300 Гц. Данные были получены в тех же интервалах расходов и давлений на входе, что и в предыдущем случае. Здесь также показано теоретически точное значение плотности с фактором плотности аэрированной смеси 1-Г, а также результаты согласно квазистационарной теории невязкого пузырька с фактором 1-3Г. Также представлен фактор плотности, полученный из модели с сосредоточенными параметрами, значение ζ в которой экспериментально настроено на 0,007. Также как и в случае другого испытанного измерителя, кажущаяся плотность, измеренная измерителем 16 Кориолиса, имеет сильную корреляцию с объемной долей газа, измеренной ОДГ-измерителем 100. Корреляция между результатом, полученным на модели с сосредоточенными параметрами, и результатом измерителя плотности, создает базу для оценки влияния аэрации на кажущуюся плотность технологической текучей среды 12.
Работа Кориолисова измерителя плотности, использующего данные о скорости звука, при наличии увлеченного воздуха, показана на Фиг.16. Данные показывают временные зависимости кажущейся плотности, увлеченного воздуха и скорректированной плотности жидкости за период времени около 50 минут, в течение которого измеритель плотности имел дело с различными количествами увлеченного воздуха, меняющимися от 0 до 3%. Данные, представленные на Фиг.15, были использованы совместно с результатами измерения количества увлеченного воздуха, полученными в режиме реального времени, для выявления количественного различия между фактической плотностью жидкости и кажущейся плотностью жидкости при протекании. Видно, что точность измерения плотности жидкости, демонстрируемая измерителем, использующим результаты измерения скорости звука, значительно выше, чем у выходных данных кажущейся плотности, полученные контрольным измерителем.
Экспериментальные данные и результаты анализа показывают значительное влияние увлеченного газа на точность измерений плотности, в которых используются вибрирующие трубки. Были представлены аналитические модели, иллюстрирующие влияние повышенной сжимаемости и неоднородности текучей среды на вносимую ошибку в интерпретируемой величине плотности технологической текучей среды. Аналитические модели показали, каким образом влияние аэрации связано с объемной долей газа в технологической текучей среде, приведенной частотой вибрирующих трубок и другими параметрами. Вместе с иллюстрацией аналитических моделей, настоящее изобретение продемонстрировало, что эмпирические модели могут быть использованы для коррекции погрешности или уточнения измерения плотности и/или удельного массового расхода измерителя 16 Кориолиса.
Были представлены экспериментальные данные, показывающие, как преимущества измерений объемной доли газа и приведенной частоты в реальном масштабе времени в совокупности с использованием измерителя 16 Кориолиса (для измерения плотности) с вибрирующими трубками могут существенно улучшить точность как измерений плотности аэрированных смесей, так и измерений неаэрированной жидкой части смеси.
Уточнение массового расхода
В современных измерителях для установления связи измеренных величин с параметрами текучей среды, очевидно, используются квазистационарные модели и эмпирические зависимости, основанные на квазистационарных моделях. Эта квазистационарная модель взаимодействия текучей среды с конструкцией демонстрирует свою адекватность для большинства измерителей Кориолиса, работающих с большинством промышленных технологических потоков. Справедливость квазистационарного подхода определяется приведенными частотами вибраций текучей среды внутри трубок. При квазистационарном подходе, чем выше приведенная частота, тем менее точными становятся измерители Кориолиса.
Одной из приведенных частот, имеющих отношение к нестационарным эффектам в кориолисовом вычислителе, является приведенная частота, связанная с частотой вибраций, диаметром трубки и скоростью звука в технологической текучей среде:
Другая приведенная частота, имеющая отношение к данному вопросу, основана на общей длине кориолисовых трубок:
Следует заметить, что для любой данной конструкции измерителя с фиксированной геометрией, эти две приведенные частоты не являются независимыми, представляя собой скалярные кратные друг друга. Для данного измерителя, изменения указанных приведенных частот, в основном, определяются изменением скорости звука в технологической текучей среде.
Физически, приведенная частота представляет отношение между временем, требующимся для прохождения звука вдоль характеристической длины, к длительности периода колебания трубки. С точки зрения работы и точности, приведенные частоты служат для того, чтобы выявить важность изменчивости в аэроупругом взаимодействии текучей среды и конструкции.
В предельном случае приближения к нулю приведенной частоты, процесс может быть описан квазистационарной моделью. Большинство аналитических представлений кориолисовых измерителей потока использует квазистационарную модель взаимодействия текучей среды с конструкцией. Для ненулевых приведенных частот, однако, нестационарные эффекты начинают влиять на взаимоотношение между измеренной реакцией конструкции, то есть фазовой задержкой в двух плечах измерителей и собственной частотой и измеряемыми параметрами текучей среды, то есть массовым расходом текучей среды и плотностью текучей среды.
В данном изобретении, однако, параметр объемной доли газа, полученный с использованием скорости звука, параметр приведенной частоты, связанные с фазовой задержкой используются для получения удельного массового расхода.
В том случае, если приведенная частота, зависящая от диаметра, не является пренебрежимо малой, инерциальная нагрузка от текучей среды, протекающей по трубе, создает некоторую фазовую задержку, увеличивающуюся с увеличением частоты. Для приведенных частот, зависящих от длины расходомерной трубки, не являющихся пренебрежимо малыми, колебания в скорости потока могут изменяться по длине трубки и также могут вносить ошибки в выходные данные измерителя.
Что касается параметров, то кориолисова трубка диаметром 1 дюйм вибрирует на частоте приблизительно 80 Гц с максимальной амплитудой 1,5 мм. Для примера, длина расходомерной трубки может составлять ~1 м. Для этих параметров, приведенная частота, зависящая от диаметра и длины, показана на Фиг.17 для скорости звука в смеси в интервале от 1500 м/с (типично для технологических жидкостей) до 50 м/с (вероятная величина для смесей с пузырьками).
Видно, что типичные изменения в скорости звука в смеси, обусловленные двухфазностью потока, приводят к значительным изменениям приведенных частот.
Таким образом, благодаря существенному сокращению скорости звука в смеси, введение газа в жидкую смесь может существенно повысить приведенную частоту первичных вибраций, связанную с измерителем Кориолиса. Если не принимать его во внимание при работе измерителя, то это повышение приведенной частоты делает квазистационарную модель все более неточной и приводит к ошибкам как при оценке массового расхода, так и плотности.
Это снижение точности измерителей Кориолиса при работе с текучими средами, содержащими пузырьки, зафиксировано документально. Предпринимались попытки провести коррекцию влияния увлеченного воздуха посредством использования корреляции между наблюдаемой ошибкой в измерении массового расхода и объемной долей газа в технологической текучей среде. Авторы этих попыток предлагали уточнение, основанное на объемной доле газа:
Здесь α представляет объемную долю газа, a R представляет уменьшение в измеренном (кажущемся) массовом расходе, нормализованном относительно истинного массового расхода. Таким образом, при использовании этой связи, 1% рост увлеченного воздуха приведет к, приблизительно, 2% снижению оценки массового расхода относительно его истинной величины.
Несмотря на то, что эта формула, по-видимому, отражает общую тенденцию, наблюдаемую в эксперименте, с точки зрения практического использования она имеет два недостатка. Во-первых, измеритель 16 Кориолиса не обладает возможностью прямого измерения объемной доли газа. Предлагалось использовать измеренную кажущуюся плотность текучей среды для оценки уровня увлеченного газа, однако здесь возникли сложности, поскольку оба лежащих в основе измерения, а именно разность фаз и собственная частота, подвержены влиянию изменений приведенной частоты кориолисовых вибраций. Во-вторых, маловероятно, что объемная доля газа является единственной переменной, оказывающей влияние на соотношение между измеренной разностью фаз и массовым расходом и измеренной собственной частотой и плотностью. Хотя объемная доля газа, по-видимому, коррелирует, по крайней мере, с некоторой группой параметров, физическая сторона вопроса показывает, что скорость звука, воздействуя через приведенную частоту, может также непосредственно повлиять на интерпретацию результатов, как это было описано выше.
В настоящем раскрытии предлагается использовать результаты прямых измерений скорости звука в технологической текучей среде для интерпретации показаний измерителя 16 Кориолиса. В этой интерпретации, разработанные здесь параметры приведенной частоты используются при интерпретации соотношения между сдвигом фазы в вибрирующих трубках и массовым расходом, а также при интерпретации собственной частоты вибрирующих расходомерных трубок на основе плотности технологической текучей среды. Измерение скорости звука, при известных компонентах технологических жидкости и газа, а также технологических температуре и давлении, обеспечивает возможность прямого измерения также и увлеченного воздуха. Таким образом, параметр приведенной частоты и объемная доля газа могут быть использованы как входные параметры при интерпретации фазовой задержки на основе массового расхода.
Благодаря сильной связи между содержанием воздуха в жидкостях и скоростью звука в смеси, роль параметра приведенной частоты в интерпретации результатов основных измерений кориолисова измерителя возрастет в случае потоков с пузырьками. Однако изменение скорости звука и, следовательно, приведенной рабочей частоты в жидкостях разного типа и других технологических смесях влияет на интерпретацию, а значит, и на точность измерителя Кориолиса, используемого в этих применениях. Рассмотрим, например, работу измерителя Кориолиса в случае двух жидкостей - воды и нефти. Предположим, что текучие среды обладают разными плотностями и скоростями звука. Приведенная частота для воды обычно на ~10-30% ниже, чем при работе с нефтью.
Учтем, что, несмотря на различие приведенных частот в обоих случаях, они все еще "малы" и влияние неточности может оказаться незначительным. Однако некоторая неточность вносится из-за того, что не учитываются различия в приведенных частотах работы измерителя Кориолиса в этом случае.
Изложенная здесь основная концепция была проиллюстрирована посредством петли с водой и воздухом при давлении и температуре, близких к нормальным. Экспериментальная установка показана на Фиг.13.
В этой установке, вода накачивается со дна большого сепаратора через электромагнитный измеритель потока, который измеряет удельный объемный расход воды. Далее вода поступает через измеритель увлеченного воздуха "SONARtrac", свидетельствующего, что содержание увлеченного воздуха в воде пренебрежимо мало. Затем в воду инжектируется воздух с образованием двухфазной смеси. Далее, количество увлеченного воздуха измеряется посредством второго измерителя "SONARtrac". Далее, двухфазная смесь с известным содержанием воды и воздуха проходит через измеритель Кориолиса с 3-дюймовой (76,2 мм) изогнутой трубкой. Выходные данные всех упомянутых измерительных устройств были зарегистрированы вместе с данными о давлении воды и температуре. При использовании этой информации, могут быть определены ошибки, связанные с работой измерителя Кориолиса с аэрированными жидкостями, и представлены графически в виде зависимостей от параметров, основанных на измерении скорости звука. В этом примере, работа измерителя Кориолиса определяется как функция объемной доли газа. Ошибки определения массового расхода, плотности смеси и наблюдаемой плотности смеси представлены на Фиг.18.
Видно, что погрешности и в самом деле велики. При 2% увлеченного воздуха измеритель Кориолиса завышает массовый расход на 15% и занижает плотность смеси на 2%. Фактическая плотность согласно измерителю при ее интерпретации как плотности жидкой фазы в измерителе будет измерена с ошибкой примерно 4%.
Для данного примера, погрешность определения массового расхода может быть описана с помощью параметра объемной доли газа (gvf), определенного через посредство измерения скорости звука. Данная параметрическая зависимость определяется уравнением, показанным на графике.
∧
∧
Mass Factor=0.0147gvf3-0.0018gvf2+0,0041gvf+1,0009
Далее эта зависимость была использована для уточнения кориолисова массового расхода при наличии увлеченного воздуха. На Фиг.19 показаны временные зависимости данных, в которых количество увлеченного воздуха, инжектируемого вверх по потоку относительно измерителя Кориолиса, изменялось небольшими приращениями так, что общее количество увлеченного воздуха изменялось от 0 до 2%. Видно, что измеритель Кориолиса дает значительные погрешности в определении массового расхода (до 15%) из-за наличия увлеченного воздуха, а используемая корреляция на основе объемной доли газа успешно исправляет ошибки в определении массового расхода, снижая до уровня в пределах 1%.
1
N
1
N
На Фиг.20 показан ОДГ-измеритель 100, описанный выше (см. Фиг.2). ОДГ-измеритель 100 включает измерительный преобразователь 116, установленный на трубе 14, и узел 124 обработки. Измерительный преобразователь 116 содержит решетку тензометрических датчиков либо датчиков 118-121 давления для измерения изменяющихся давлений, создаваемых акустическими волнами, распространяющимися по потоку текучей среды 12, для определения скорости звука (СЗ). Сигналы P(t)-P(t) давления подаются на узел 124 обработки, который оцифровывает сигналы давления и вычисляет параметры СЗ и ОДГ. Кабелем 113 электрически соединяются преобразователь 116 и узел 124 обработки. Аналоговые сигналы P(t)-P(t) датчиков давления обычно представляют собой токи 4-20 mA, вырабатываемые петлей с током.
1
N
1
N
Решетка датчиков 118-121 давления содержит решетку по крайней мере двух датчиков 118, 119 давления, расположенных вдоль оси на наружной поверхности 122 трубы 14, по которой протекает технологический поток текучей среды 112. Датчики 118-121 давления могут быть прикреплены на трубу хомутами либо с помощью разъемного крепежного средства, например болта, винта или зажима, обеспечивающего их снятие. В другом варианте, датчики могут быть несъемными, заделаны в отверстия или быть неотъемлемой частью трубы 14. Решетка датчиков преобразователя 116 может включать любое число датчиков 118-121 давления, большее двух, например три, четыре, шесть, шестнадцать или N датчиков в интервале от двух до двадцати четырех датчиков. Обычно, точность измерения увеличивается с увеличением числа датчиков в решетке. Точность, обеспечиваемая большим числом датчиков, перевешивается ростом сложности и времени счета требуемого выходного параметра потока. По этой причине, число используемых датчиков зависит, по крайней мере, от требуемой точности и требуемой частоты обновления выходных параметров, выдаваемых измерителем 100. Датчики 118-119 давления измеряют изменяющиеся давления, создаваемые акустическими волнами, распространяющимися в потоке, которые показывают скорость распространения звука в потоке текучей среды 12 в трубе. Выходные сигналы P(t)-P(t) датчиков 118-121 давления подаются в узел 139 предусилителя, который усиливает сигналы, вырабатываемые датчиками 118-121 давления. Узел 124 обработки производит обработку данных измерения давления P(t)-P(t) и определяет нужные параметры и характеристики потока текучей среды 12, как это было описано выше.
В измерителе 100 также предусмотрено использование одного или более акустических источников 127 для обеспечения проведения измерений скорости звука, распространяющегося в потоке для случаев акустически спокойного потока. Акустическим источником может быть средство, которое, к примеру, постукивает или потряхивает стенку трубы. Акустические источники могут быть расположены на входном конце или выходном конце решетки датчиков 118-121 либо по обоим концам. Следует иметь ввиду, что в большинстве случаев акустические источники не являются необходимыми, а устройство пассивно детектирует акустический гребень, создаваемый в потоке текучей среды 12, как это будет более подробно описано далее. Пассивный шум включает шум, создаваемый насосами, клапанами, моторами и турбулентностями в самой смеси.
Как было предложено ранее и будет подробно описано ниже, средство 10 может измерять скорость звука посредством измерения изменений давления, создаваемых акустическими возмущениями, распространяющимися по потоку текучей среды 12. По известным давлению и/или температуре потока и скорости звука акустических возмущений или волн, либо по их оценкам, в узле 124 обработки может быть определена объемная доля газа, как это, например, описано в патентной заявке США №10/349716 (номер реестра CiDRA CORP. CC-0579), поданной 23 января 2003, патентной заявке США №10/376427 (номер реестра CiDRA CORP. CC-0596), поданной 26 февраля 2003, патентной заявке США №10/762410 (номер реестра CiDRA CORP. CC-0703), поданной 21 января 2004, включенными в настоящее описание посредством ссылки.
1
2
3
N
1
2
3
N
По аналогии с измерителем 100 на Фиг.20, измеритель 200 на Фиг.21 является примером выполнения настоящего изобретения и включает решетку по крайней мере двух датчиков 118, 119 давления, установленных в двух точках х, x вдоль оси трубы 14 для приема в этих точках соответствующих случайных сигналов, распространяющихся между датчиками 118, 119 внутри трубы. Каждый датчик 118, 119 вырабатывает сигнал, показывающий изменяющееся давление в точке установки каждого датчика, в каждой из последовательных выборок. Понятно, что решетка датчиков может включать более двух датчиков давления. В точках x, x показаны, например, датчики давления 120, 121. Давление, развиваемое неоднородностями акустического давления, может быть измерено посредством тензометрических датчиков и/или датчиков давления 118-121. Датчики 118-121 давления выдают аналоговые, изменяющиеся во времени сигналы P(t), P(t), Р(t), P(t) на узел 124 обработки сигналов. Узел 124 обработки обрабатывает сигналы давления сначала для выработки выходных сигналов, показывающих скорость распространения звука в потоке текучей среды 12, а затем для получения результатов измерения ОДГ по возмущениям давления, создаваемым акустическими волнами, распространяющимися в потоке текучей среды 12.
1
N
1
N
1
2
3
N
Узел 124 обработки получает сигналы давления от решетки датчиков 118-121. Узел 154 приема данных оцифровывает сигналы P(t)-P(t) давления, ассоциированные с акустическими волнами, распространяющимися по трубе 114. Логическое БПФ-устройство 156 выполняет преобразование Фурье оцифрованных входных сигналов P(t)-P(t) из временной области в спектральную область, образуя совокупность комплексных сигналов P(ω), Р(ω), Р(ω), P(ω), определяющих спектральный состав входных сигналов.
1
N
Накопитель 158 данных накапливает дополнительные сигналы P(t)-P(t) отдатчиков и выдает данные, полученные на интервале выборки, на узел 160 матричной обработки, который выполняет пространственно-временное (двумерное) преобразование данных датчиков из области xt в область k-ω, после чего вычисляет энергию в плоскости k-ω, как это представлено на диаграмме k-ω, аналогичной той, что может строиться средством конвективной матричной обработки.
Для вычисления энергии в плоскости k-ω, как показано диаграммой k-ω (см. Фиг.22), либо для сигналов, либо для разностных сигналов, узел 160 матричной обработки определяет длину волны и соответствующее волновое число k (пространственное), и также частоту (временную) и соответствующую угловую частоту ω различных спектральных компонентов случайного параметра. Известно большое число алгоритмов для выполнения пространственно-временного разложения для решеток чувствительных элементов 118-121.
В том случае, если в обоих осевых направлениях имеются подходящие акустические волны, энергия в k-ω плоскости, показанная на k-ω диаграмме на Фиг.22, будучи определенной таким образом, будет иметь структуру, называемую акустическим гребнем 170, 172 в обеих - левой и правой, плоскостях диаграммы, причем один из акустических гребней 170 показывает скорость звука, двигающегося в одном осевом направлении, а другой акустический гребень 172 показывает скорость звука, двигающегося в другом осевом направлении. Акустические гребни представляют концентрацию случайного параметра, который распространяется по потоку и является математическим выражением соотношения между пространственными изменениями и временными изменениями, описанными выше. Такая диаграмма показывает тенденцию группирования пар k-w приблизительно вдоль линии 170, 172 с некоторым наклоном, характеризующим скорость звука.
Энергия в плоскости k-ω, определенная таким образом, далее подается на идентификатор 162 акустического гребня, в котором используется тот или иной способ выделения признаков для определения расположения и ориентации (наклона) какого-либо акустического гребня, имеющегося в левой и правой частях k-ω плоскости. Скорость может быть определена по наклону одного из двух акустических гребней 170, 172 либо усреднением наклонов акустических гребней 170, 172.
Наконец, информация, включающая ориентацию акустического гребня (наклон), используется анализатором 164 для определения параметров потока, относящихся к измеренной скорости звука, например целостность или состав потока, плотность потока, средний размер частиц в потоке, отношение воздух/масса в потоке, объемная доля газа в потоке, скорость распространения звука в потоке и/или процентное содержание увлеченного воздуха в потоке.
В узле 160 матричной обработки используются стандартные алгоритмы, так называемые алгоритмы формирования диаграммы, матричной обработки или адаптивной матричной обработки, то есть алгоритмы обработки сигналов датчиков, использующие различные временные задержки и взвешивание для создания подходящих фазовых соотношений между сигналами, поступающими с разных датчиков, что позволяет получить функциональные возможности фазированной антенной решетки. Другими словами, алгоритмы формирования диаграммы или алгоритмы матричной обработки преобразуют сигналы от датчиков, существующие во временной области, в соответствующие компоненты в пространственной и временной спектральных областях, то есть в совокупность волновых чисел k=2π/λ, где λ представляет длину спектрального компонента, а соответствующие угловые частоты равны ω=2πv.
В одном из таких способов определения скорости распространения звука по потоку текучей среды 12 используется матричная обработка для нахождения акустического гребня в k-ω плоскости, как это показано на Фиг.22. Наклон акустического гребня показывает скорость распространения звука в потоке текучей среды 12. Скорость звука определяется использованием матричной обработки сигнала сонара для определения скорости, с которой одномерные акустические волны распространяются вдоль осевой решетки измерений изменяющегося давления, расположенной вдоль трубы 14.
Измеритель 200 в соответствии с настоящим изобретением измеряет скорость звука одномерных звуковых волн, распространяющихся в смеси, для определения объемной доли газа смеси. Известно, что звук распространяется в различных средах с различными скоростями в таких полях, как поле СОНАРа и поле РАДАРа. Скорость звука, распространяющегося в трубе и потоке текучей среды 12, может быть определена различными известными способами, например такими, как приведенные в патентной заявке США, серийный №09/344, 094, поданной 25 июня 1999 г., ныне патент США 6354147; в патентной заявке США, серийный №10/795, 111, поданной 4 марта 2004 г.; в патентной заявке США, серийный №09/997221, поданной 28 ноября 2001 г., ныне патент США 6587798; в патентной заявке США, серийный №10/007749, поданной 7 ноября 2001 г.; и в патентной заявке США, серийный №10762410, поданной 21 января 2004 г., каждая из которых включена в настоящее описание посредством ссылки.
Хотя описан и проиллюстрирован основанный на сонаре измеритель потока, использующий датчики 118-121 для измерения скорости звука акустических волн, распространяющихся в смеси, следует иметь в виду, что любые способы измерения скорости звука акустической волны могут быть использованы для определения объемной доли увлеченного газа смеси/текучей среды, либо иных характеристик потока, описанных выше.
Анализатор 164 узла 124 обработки выдает выходные сигналы, определяющие характеристики технологического процесса, которые связаны с измеренной скоростью распространения звука по потоку текучей среды 12. Например, для определения объемной доли газа (или фазовой фракции) анализатором 164 предполагается, что температура потока текучей среды 12 практически не меняется. Сама по себе объемная доля газа или доля пустот связаны со скоростью звука следующим квадратным уравнением:
2
Ax+Вх+С=0
eff
eff
eff
eff
meas
eff
meas
∧
где х - скорость звука; А=1+rg/rl·(K/P-1)-K/P; В=K/Р-2+rg/rl; С=1-(K/rl·a 2); rg - плотность газа, rl - плотность жидкости, K - эффективное К (модуль жидкости и стенки трубы), Р - давление и а - измеренная скорость звука.
Эффективное значение получается следующим образом
2
Объемная доля газа (ОДГ)=(-В+sqrt(B-4·А·С))/(2·А)
i
В другом варианте, скорость звука в смеси может быть поставлена в соответствие с объемной долей фазы (ϕ) компонентов и скоростями звука (a) и плотностями (ρ) компонентов через уравнение Вуда:
где
eff
Одномерные продольные волны, распространяющиеся в потоке текучей среды 12, находящемся в трубе 14, создают меняющееся внутреннее давление в трубе. Степень смещения трубы под действием изменяющегося давления влияет на скорость распространения продольной волны. Соотношение между скоростью звука в бесконечном пространстве и плотностью смеси, модулем (Е) упругости, толщиной (t) и радиусом (R) находящегося в вакууме цилиндрического трубопровода и эффективной скоростью распространения (а) для одной продольной волны определяется следующим уравнением:
2
Правило смешивания, по существу, утверждает, что сжимаемость смеси (1/(ρа)) представляет собой взвешенное по объему среднее от сжимаемости компонентов. Для газожидкостных смесей (текучей среды) 12 при давлениях и температурах, характерных для производства бумаги и целлюлозы, сжимаемость газовой фазы на порядки величины превосходит сжимаемость жидкости. Таким образом, сжимаемость газовой фазы и плотность жидкой фазы определяют, в основном, скорость звука в смеси, и в таком случае необходимо иметь хорошую оценку технологического давления для проведения интерпретации скорости звука в смеси на основе объемной доли увлеченного газа. Влияние технологического давления на соотношение между скоростью звука и объемной долей увлеченного воздуха показано на Фиг.23.
Некоторые или все функции в узле 124 обработки могут быть выполнены программно (с использованием микропроцессора или компьютера) и/или аппаратно, либо могут быть выполнены с использованием аналоговых и/или цифровых приборов, имеющих достаточный объем памяти, средства ввода/вывода и производительность для осуществления описанных здесь функций.
В то время как варианты выполнения настоящего изобретения, представленные на Фиг.2, 20 и 21, содержат датчики 118-121, установленные на трубе 14, отдельно от измерителя Кориолиса, настоящим изобретением предусмотрено, что ОДГ-измеритель 100 может быть объединен с измерителем Кориолиса для образования единого устройства, как показано на Фиг.24 и 25. Как показано на этих чертежах, датчики давления 118-121 могут быть расположены на одной или обеих трубках 302 измерителей 300, 310 Кориолиса.
На Фиг.24 представлен измеритель 300 Кориолиса с двойной трубкой 302, содержащий решетку датчиков 118-121, 318-320, установленных на трубке 302 измерителя Кориолиса. В этом варианте выполнения, решетка полос пьезоэлектрического материала расположена на ленте и прикреплена на трубку 302 единым витком. Данная конфигурация аналогична описанной в патентной заявке США серийный №10/795111, поданной 4 марта 2004 г., включенной в настоящее описание посредством ссылки. По аналогии с описанным выше, сигналы давления подаются на узел обработки данных для вычисления, по крайней мере, одного из параметров - СЗ, ОДГ и приведенной частоты.
На Фиг.25 показан другой вариант выполнения настоящего изобретения, в котором объединены датчики 118-121 давления с измерителем 310 Кориолиса. Преимущества интегрирования решетки сонарных датчиков в существующие конструкции измерителя Кориолиса многочисленны и включают факторы стоимости, рыночные факторы и возможность получения более высоких эксплуатационных показателей.
В измерителях Кориолиса используются многообразные расходомерные трубки. Обычно поток ответвляется от оси трубы, к которой присоединен измеритель Кориолиса, однако также используются измерители Кориолиса с прямыми трубками, параллельными технологической трубе. Наиболее распространенным типом трубки измерителя Кориолиса является U-образная трубка, как показано на Фиг.25. Несмотря на разнообразные формы, расходомерные трубки измерителей Кориолиса обычно имеют большую длину и малый диаметр, вне зависимости от того, согнутые они или прямые. Согнутые расходомерные трубки измерителей Кориолиса обычно имеют постоянное и небольшое, по сравнению с трубой 14, к которой присоединен измеритель, поперечное сечение, в результате чего скорость текучей среды в расходомерных трубках выше. Благодаря этим двум особенностям расходомерные трубки хорошо подходят на роль акустических волноводов для низкочастотных акустических волн.
К низкочастотным акустическим волнам относятся волны, у которых длина волны существенно больше, чем диаметр расходомерной трубки 302. Можно показать, что в случае Кориолисовой расходомерной трубки, имеющей обычно диаметр около 1 дюйма, это условие не представляет существенного ограничения. Так, например, для расходомерной трубки диаметром 1 дюйм, заполненной водой, акустические волны с частотой значительно менее 60 000 Гц считаются низкочастотными (1 дюйм·(1 фут/12 дюймов)·5000 фут/с).
Для таких низкочастотных волн, изгибы в кориолисовых расходомерных трубках 302 не оказывают какого-либо заметного влияния на скорость распространения акустических колебаний. Таким образом, Кориолисовы расходомерные трубки 302 хорошо подходят на роль волноводов, на которых следует расположить решетку датчиков для определения скорости звука в смеси.
Большинство измерителей Кориолиса имеют хорошо отрегулированные и сбалансированные группы расходомерных трубок. Важно, чтобы воздействие датчиков на динамические характеристики расходомерных трубок было минимальным. В случае U-образной трубки, показанной на Фиг.25, датчики показаны установленными вблизи корпуса 306 измерителя, где трубки 302 закреплены, по существу, консольно. При закреплении легких тензометрических датчиков 118-121 в этом месте, можно практически не повлиять решеткой датчиков на динамику расходомерной трубки. Более того, устанавливая две группы датчиков 118, 119 и 120, 121 на концах, можно охватить апертурой решетки датчиков всю расходомерную трубку. Оборудование расходомерных трубок подобным образом позволяет получить максимальную апертуру решетки датчиков, размещенных в измерителе Кориолиса. Расположение таких составных, но относительно близко установленных датчиков вблизи концов образует неоднородную решетку. Исходные данные, получаемые с помощью таких решеток, показывают плодотворность такого подхода.
Хотя на Фиг.24 и 25 показаны интегрированные измерители 300, 310 Кориолиса U-образной формы, настоящим изобретением предусмотрено, что решетки датчиков могут быть аналогично расположены на трубке прямолинейного измерителя Кориолиса.
Для любых из описанных здесь вариантов выполнения, датчики давления, включая, среди прочих, электрические датчики деформаций, оптоволоконные датчики, либо датчики на основе дифракционных решеток могут быть прикреплены к трубе клеящим веществом, клеем, эпоксидной смолой, лентой или иными подходящими средствами крепления, обеспечивающими необходимый контакт между датчиком и трубой. В альтернативных вариантах выполнения, датчики могут быть съемными, либо несъемными, прикрепленными известными механическими приспособлениями, например механическим зажимом, пружиной, хомутом, присоской, ремнем, либо иными их эквивалентами. С другой стороны, датчики деформации, включая оптоволоконные и/или на основе дифракционных решеток, могут быть интегрированы в сложную конструкцию трубы. При необходимости, для определенных применений, дифракционные решетки могут быть отделены от трубы (либо изолированы от нее по деформациям или в отношении акустики).
В пределах области притязаний настоящего изобретения также находится использование других датчиков деформаций для измерения вариаций деформации трубы, например высокочувствительных пьезоэлектрических, электронных или электрических датчиков деформаций, прикрепленных к трубе или вставленных в трубу. Для измерения изменяющихся давлений также могут быть использованы акселерометры. Кроме того, могут быть использованы другие датчики давления, как это описано в ряде упомянутых выше патентов, включенных в настоящее описание посредством ссылки.
В другом варианте выполнения, датчик может представлять собой пьезоэлектрическую пленку или ленту (например, из поливинилиденфлюорида (PVDF)), как это описано в, по крайней мере, одном из вышеупомянутых патентных документов.
В то время как на приведенных иллюстрациях показаны четыре датчика, установленных на трубке измерителя Кориолиса или интегрированных в нее, в изобретении предусмотрено использование любого количества датчиков в решетке, как это показано по крайней мере в одной из упомянутых выше патентных заявок. Кроме того, изобретение предусматривает установку решетки датчиков или их интеграцию в трубку измерителя Кориолиса, имеющую форму кренделя, U-образную форму (показана), прямую либо любую иную криволинейную форму.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает использование вытянутой, невибрирующей (или колеблющейся) части, что позволяет использовать в решетке большое число датчиков.
В то время как настоящее изобретение описывает решетку датчиков для измерения скорости распространения звука по потоку для интерпретации связи между кориолисовыми силами и массовым расходом через измеритель Кориолиса, существует и ряд других способов.
Например, для ограниченного ряда текучих сред, для определения скорости звука в поступающей текучей среде может быть использовано ультразвуковое устройство. Следует отметить, что теория показывает, что интерпретация показаний измерителей Кориолиса может быть скорректирована для всех текучих сред, в том случае, если измерена и используется для интерпретации скорость звука в технологической текучей среде. Таким образом, зная скорость звука в текучей среде, равную 5000 фут/с (1500 м/с), что имеет место для среды типа воды, по сравнению с 1500 фут/с (450 м/с) для, например, сверхкритического этилена, можно поднять точность измерений расхода и плотности измерителем Кориолиса. Эти измерения могут быть выполнены на практике с использованием существующих ультразвуковых измерителей.
Другой подход к определению скорости звука в текучих средах состоит в том, чтобы измерить резонансную частоту акустических мод в расходомерных трубках. При установке трубки на трубопроводе, площадь поперечного сечения изменяется из-за перехода от трубы к обычно значительно более тонким расходомерным трубкам, что создает существенное изменение акустического импеданса. В результате этого изменения импеданса, расходомерная трубка действует наподобие объемного резонатора. Отслеживая резонансную частоту этого резонатора, можно определить скорость звука текучей среды, заполняющей резонатор. Это может быть выполнено посредством единственного устройства, чувствительного к изменению давления, которое устанавливается либо на измерителе Кориолиса, либо на соединительных трубах, прикрепленных к измерителю Кориолиса.
Более широко, в настоящем изобретении предусмотрено улучшение работы измерителя Кориолиса с использованием любого способа или средств измерения объемной доли газа в потоке текучей среды.
В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения, показанном на Фиг.20, каждый из датчиков 118-121 давления может включать пьезоэлектрический пленочный датчик для измерения изменяющихся давлений потока текучей среды 12 с использованием любой из описанных выше технологий.
Пьезоэлектрические пленочные датчики включают пьезоэлектрический материал или пленку для создания электрического сигнала, пропорционального степени механической деформации материала или напряжения. Пьезоэлектрический чувствительный элемент обычно позволяет определять полностью круговое или почти круговое измерение наведенной деформации для получения усредненного по кругу сигнала давления. Датчики обычно выполняются из PVDF пленок, сополимерных пленок, либо гибких датчиков - пьезоэлектрических преобразователей, аналогичных описанным в "Техническом руководстве по пленочным пьезодатчикам", выпущенным фирмой Measurment Specialties, Inc., которое включено в настоящее описание посредством ссылки. Пьезоэлектрический пленочный датчик, который может быть использован в настоящем изобретении, имеет обозначение 1-1002405-0, LDT4-028K и выпускается фирмой Measurment Specialties, Inc.
Пьезоэлектрическая пленка ("пьезопленка") как пьезоэлектрический материал представляет собой динамический материал, который создает электрический заряд, пропорциональный изменению механического напряжения. В результате, пьезоэлекторический материал измеряет деформации, наводимые внутри трубы 14 за счет изменяющихся вариаций давления (например, акустических волн) внутри технологической смеси текучей среды 12. Деформации в трубе преобразуются в выходное напряжение или ток прикрепленным пьезоэлектрическим датчиком. Пьезоэлектрический материал или пленка могут быть выполнены из полимера, например поляризованного флюорополимера, поливинилиденфлюорида. Пьезоэлектрические пленочные датчики аналогичны тем, что описаны в патентной заявке США, серийный №10/712818 (номер реестра CiDRA CORP. CC-0675), в патентной заявке США, серийный №10/712, 833 (номер реестра CiDRA CORP. CC-0676), и в патентной заявке США, серийный №10/795, 111 (номер реестра CiDRA CORP. CC-0732), которые включены в настоящее описание посредством ссылки.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения используется датчик давления, например датчики деформации трубы, акселерометры, датчики скорости или смещения, описанные ниже, которые устанавливаются на ленте, чтобы обеспечить прикрепление датчика давления к трубе. Датчики могут быть съемными, либо несъемными прикрепленными известными механическими приспособлениями, например механическим зажимом, пружиной, хомутом, присоской, ремнем либо иными их эквивалентами. Для некоторых из датчиков давления этих типов может быть желательным, чтобы труба 14 обладала некоторой податливостью.
Вместо точечных датчиков 118-121 давления, по точкам вдоль оси трубы 14, могут устанавливаться два или более датчика давления вокруг трубы 14 в каждой из точек вдоль оси. Сигналы от датчиков давления, расположенных вокруг трубы в заданных точках вдоль оси, могут быть усреднены для получения усредненного по поперечному сечению (или круговому) отсчета изменения акустического давления. Могут быть использованы и другие количества датчиков акустического давления и другие кольцевые расположения. Усреднение нескольких расположенных по кольцу датчиков давления снижает шумы от возмущений и вибраций трубы и иных источников шума, не связанных с одномерными волнами акустического давления в трубе 14, поэтому создание пространственных решеток датчиков давления помогает определить характеристики одномерного звукового поля внутри трубы 14.
Описанные здесь датчики 118-121 давления, показанные на Фиг.20, могут быть датчиками давления любого типа, пригодными для измерения изменяющегося (или переменного, или динамического) давления внутри трубы 14, например, пьезоэлектрические, оптические, емкостные, резистивные (например, мост Уитстона), акселерометры (или сейсмоприемники), средства измерения скорости, средства измерения смещения и пр. Если используются оптические датчики давления, то в качестве датчиков 118-121 могут использоваться датчики давления с решетками Брэгга, описанные, например, в патентной заявке США, серийный №08/925598, под названием "Высокочувствительный волоконно-оптический датчик давления для жестких условий эксплуатации", поданной 8 сентября 1997 г., ныне Патент США 6016702, и в патентной заявке США, серийный №10/224821, под названием "Неинтрузивный волоконно-оптический датчик давления для измерения изменяющихся давлений внутри трубы", которые включены в настоящее описание посредством ссылки. В варианте выполнения настоящего изобретения, в котором используется оптическое волокно в качестве датчиков давления, они могут быть подключены индивидуально, либо могут быть объединены в группы вдоль одного или нескольких оптических волокон с использованием уплотнения с волновым разделением (WDM - wave division multiplexing), с временным разделением (TDM - time division multiplexing) и других оптических способов уплотнения.
В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, пьезоэлектронные преобразователи давления могут быть использованы как один или более датчиков давления, и измерение изменяющегося (или динамического или переменного) давления внутри трубы или трубки может быть выполнено измерением уровней давления внутри трубки. Эти датчики могут быть вставлены в трубу насквозь для получения непосредственного контакта со смесью текучей среды 12. В варианте выполнения настоящего изобретения, датчики включают датчики давления, изготовленные фирмой РСВ Piezotronics. В одном датчике давления здесь установлена интегральная схема пьезоэлектрических датчиков - генераторов напряжения, которая также имеет встроенные микроэлектронные усилители, и которая преобразует заряд в высокоимпедансной цепи в выходное напряжение в цепи с низким импедансом. В частности, используется модель 106В, выпускаемая фирмой РСВ Piezotronics, представляющая собой интегральную схему высокочувствительного пьезоэлектрического кварцевого датчика давления, компенсированного на ускорение, пригодного для измерения акустических эффектов с малым давлением в гидравлических и пневматических системах. Эта модель обладает уникальной способностью измерения малых изменений давления, величиной менее 0,001 фунт/кв. дюйм (1 фунт/кв. дюйм = 6,9 кПа) при высоких статических давлениях. Модель 106 В имеет чувствительность 300 мВ/фунт/кв. дюйм и разрешающую способность 91 дБ (0,0001 фунт/кв. дюйм).
Датчики давления включают встроенный микроэлектронный усилитель на полевом транзисторе для преобразования выходного заряда с высокоимпедансного уровня в напряжение сигнала в цепи с низким импедансом. Питание датчика производится от источника постоянного напряжения, и сигнал датчика может выдаваться подлинному коаксиальному или ленточному кабелю без ухудшения качества сигнала. Напряжение сигнала с низкоимпедансного выхода не подвержено трибоэлектрическим шумам (шумам трения) кабеля, либо снижению сопротивления изоляции из-за ее загрязнения. Энергия для питания пьезоэлектрических датчиков на интегральных схемах обычно поступает от дешевых источников постоянного тока 24-27 В, при потреблении 2-20 мА. Система приема данных настоящего изобретения может включать источники постоянного напряжения для питания интегральных схем пьезоэлектрических датчиков.
Большинство пьезоэлектрических датчиков давления выполнено на основе либо работающих на сжатие кварцевых кристаллов, установленных в жестком корпусе с предварительным натягом, либо ненагруженных турмалиновых кристаллов. Датчики, конструктивно оформленные таким образом, имеют время отклика, измеряемое микросекундами, и резонансные частоты в сотни кГц, с минимальными выбросами и колебательными переходными процессами. Малый диаметр диафрагм обеспечивает пространственное разрешение коротких ударных волн.
Выходная характеристика пьезоэлектрических датчиков давления соответствует выходу переменного тока, когда повторяющиеся сигналы спадают до тех пор, пока сверху и снизу от нулевой линии исходного уровня не остаются одинаковые площади. Поскольку уровни наблюдаемых сигналов флюктуируют, выходной уровень остается стабилизированным относительно нулевой линии, при равенстве площадей под положительной и отрицательными частями кривой.
1
2
Настоящее изобретение предусматривает, что для измерения изменений деформаций в трубе, могут быть использованы любые способы измерения деформаций, например с применением высокочувствительных пьезоэлектрических, электронных или электрических измерительных преобразователей деформаций и пьезорезистивных измерительных преобразователей деформаций, прикрепленных к трубе 14. Другие измерительные преобразователи деформаций включают резистивные измерительные преобразователи пленочного типа, имеющие конфигурацию гоночного трека, аналогичные описанным в патентной заявке США, серийный №09/344094, поданной 25 июня 1999 г., ныне Патент США 6354147, и включенной в настоящее описание посредством ссылки. Изобретение также предусматривает расположение измерительных преобразователей деформации вокруг заданной части окружности трубы 14. Расположение измерительных преобразователей деформации вдоль оси и интервал ΔХ, ΔХ между ними определяются так, как было описано выше.
Также изобретение предусматривает, что для измерения изменений деформаций в трубке, могут быть использованы любые способы измерения деформаций, например с применением высокочувствительных пьезоэлектрических, электронных или электрических измерительных преобразователей деформаций, прикрепленных к трубе 14 или вставленных в нее.
Несмотря на то, что было представлено описание ряда датчиков, понятно, что в настоящем изобретении может быть использован любой датчик, измеряющий скорость распространения звука в текучей среде, включая ультразвуковые датчики.
Приведенные выше в любом из вариантов выполнения размеры и/или конфигурации используются только для иллюстрации, и при необходимости могут быть использованы любые другие размеры и/или конфигурации, в зависимости от области применения, размера, особенностей работы, требований изготовления или иных факторов, с учетом изложенного выше.
Следует понимать, что, если не указано иначе, любые из признаков, характеристик, альтернатив или модификаций, описанных применительно к конкретному варианту выполнения, могут также быть применены, использованы или введены в любой другой вариант выполнения, описанный здесь. Кроме того, масштаб в приведенных чертежах не соблюдался.
Хотя изобретение было описано и проиллюстрировано применительно к примерам его выполнения, приведенные выше и различные другие варианты и изъятия могут быть использованы в тех или иных случаях без отхода от сущности и объема притязаний настоящего изобретения.