УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
ULTRASONIC FLOWMETER (VERSIONS) AND METHOD OF MEASURING FLOW PARAMETERS OF FLUID MEDIUM

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к ультразвуковым расходомерам. Конкретнее различные исполнения данного изобретения связаны с конфигурацией возбудителя, снижающей ошибки при измерении ультразвуковым расходомером времени прохождения ультразвукового сигнала.
Уровень техники
Ультразвуковые расходомеры относятся к классу расходомеров, определяющих объем текучей среды, протекшей через нефтепровод, с использованием ультразвуковых сигналов, проходящих в потоке текучей среды. Например, ультразвуковой расходомер может измерять время прохождения ультразвукового сигнала, двигающегося против потока вдоль определенной линии, а также сигнала, двигающегося вдоль той же линии по потоку. Из данных измерений находится "дельта времени" как разница между временем прохождения по потоку и против потока. С помощью найденной разницы времени можно определить среднюю скорость потока, а из значения скорости определяется объемная скорость потока или расход потока. Отсюда следует, что повышение точности измерения разницы времени является очень важным для повышения точности измерения расхода.
Измеренное время прохождения ультразвукового сигнала между парой датчиков состоит как минимум из двух главных компонент: "реальное время прохождения" ультразвукового сигнала в текучей среде между поверхностями двух датчиков; и "время задержки", равное разнице между измеренным и реальным временем прохождения. Время задержки обусловлено задержкой распространения сигнала между управляющим процессором и возбудителями датчиков; между возбудителями датчиков и самими датчиками, работающими в режиме передатчиков; между датчиками, работающими в режиме приемников, и принимающей сигнал электроникой; между принимающей электроникой и процессором; а также задержками, связанными функциями электроники по проверке ограничений по времени и проверке истекшего времени. Для ультразвуковых расходомеров, измеряющих расход газообразных текучих сред, влияние времени задержки на результаты измерений объема невелико, но если измеряются параметры потока текучих сред с высокой плотностью, таких как жидкости, время задержки может оказывать серьезное влияние на результаты измерений.
Таким образом, наиболее выгодной является та система, в которой ошибки, связанные с временем задержки, максимально снижены.
Раскрытие изобретения
Вышеперечисленные проблемы решаются по большей части с помощью способа конфигурации возбудителя ультразвукового расходомера и конструкции, осуществляющей ее. По крайней мере, некоторые из приведенных в качестве иллюстративных примеров осуществления изобретения являются ультразвуковыми расходомерами, содержащими секцию трубопровода, помещенную в поток текучей среды, первый входной и выходной датчики, установленные на секции трубопровода (первый входной и выходной датчики функционально связаны друг с другом), а также первый возбудитель датчиков, который выборочно соединяется с первым входным или выходным датчиком. Возбудитель датчиков управляет как входным, так и выходным датчиками.
Другие варианты осуществления изобретения, приводимые также в качестве иллюстративных, являются способами, подразумевающими управление первым датчиком посредством первого возбудителя для создания первого акустического сигнала в текучей среде, прием вторым датчиком первого сигнала, управление вторым датчиком посредством первого возбудителя для создания второго акустического сигнала в текучей среде и прием первым датчиком второго сигнала.
Раскрываемые устройства и способы включают совокупность признаков и преимуществ, которые способны устранить недостатки предшествующего уровня техники. Различные признаки, описанные выше, также как другие признаки изобретения, будут понятны среднему специалисту отрасли по ознакомлению с более детальным описанием, содержащим ссылки на сопровождающие чертежи.
В нижеследующем описании, а также в формуле изобретения термины "включающий в себя" и "содержащий" стоит понимать как "включающий в себя, но этим не ограниченный …". Также термины "соединен" и "соединяется" следует понимать как обозначающие прямое или непрямое подключение одного компонента системы к другому. Так, если одно устройство соединено со вторым - это соединение может быть установлено напрямую или через другие компоненты системы.
Термин "время задержки" означает разницу между измеренным и реальным временем прохождения ультразвукового сигнала.
Краткое описание чертежей
Для более детального описания различных исполнений в тексте документа будут даваться ссылки на следующие чертежи:
Фигура 1 - вид сверху на заявляемый ультразвуковой расходомер в разрезе.
Фигура 2 - вид сбоку секции трубопровода с указанием участков A-D в виде хорд.
Фигура 3 - вид секции трубопровода сверху с размещенными на ней парами датчиков.
Фигура 4 иллюстрирует заявляемый способ измерения параметров потока текучей среды.
Фигура 5 иллюстрирует ультразвуковой расходомер с несколькими парами датчиков и несколькими возбудителями датчиков и один из возможных вариантов их соединения.
Фигуры 6 и 7 графически иллюстрируют прохождение сигнала при работе расходомера.
Фигуры 8 и 9 иллюстрируют примеры конкретного выполнения заявляемого ультразвукового расходомера.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 изображен ультразвуковой расходомер, предназначенный для измерения расхода текучей среды в соответствии с изобретением. Секция трубопровода 100, выполненная для размещения между другими секциями трубопровода, имеет заданный размер, и, таким образом, представляет собой измерительную секцию. Два датчика 120 и 130, а также соответствующие корпуса 125 и 135 установлены на возбудителе 100. Датчики 120 и 130 являются ультразвуковыми приемопередатчиками, что означает их возможность как формировать, так и принимать ультразвуковой сигнал. В данном контексте термин "ультразвуковой" означает сигнал с частотой, превышающей 20 КГц. В различных исполнениях ультразвуковые сигналы могут обладать частотой примерно 125 КГц (для газовых расходомеров) и 1МГц (жидкостные расходомеры). Независимо от частоты сигналы подобной частоты формируются пьезоэлектрическим элементом в каждом датчике. Для создания ультразвукового сигнала на пьезоэлектрический элемент подается электрический ток, в результате элемент начинает вибрировать. Вибрации пьезоэлектрического элемента создают ультразвуковой сигнал, направленный от одного датчика через поток текучей среды на второй датчик. Когда ультразвуковой сигнал попадает на пьезоэлектрический элемент, он начинает вибрировать, а созданный при вибрации электрический сигнал переводится в цифровую форму и анализируется электронной частью расходомера.
Линия 110, иногда называемая "хордой", проходит между датчиками 120 и 130, под углом θ к центральной оси 105. Длина хорды 110 - расстояние между лицевыми (внешними) поверхностями датчиков 120 и 130. Точки 140 и 145 соответствуют местам формирования акустического сигнала датчиками 120 и 130 соответственно (т.е. место входа сигнала в поток текучей среды). Положение датчиков 120 и 130 задается углом θ, расстоянием L между датчиками 120 и 130, расстоянием Х по оси между точками 140 и 145 и расстоянием D, соответствующим диаметру трубопровода. В большинстве случаев расстояния D, Х и L точно задаются при изготовлении расходомера.
Вначале ультразвуковой сигнал формируется выходным датчиком 120, принимается и обрабатывается входным датчиком 130. Спустя некоторое время, входной датчик 130 формирует ультразвуковой сигнал обратной связи, который впоследствии принимается и обрабатывается датчиком 120. Таким образом, датчики "перекидываются" ультразвуковым сигналами 115 друг с другом вдоль линии 110. При работе данная последовательность может повторяться тысячи раз в минуту.
Поток текучей среды течет в направлении 150 согласно эпюре скоростей потока 152. Векторы скоростей 153-158 показывают, что скорость потока через секцию трубопровода 100 возрастает при приближении к центру 105. Время прохождения ультразвуковой волны 115 между датчиками 120 и 130 зависит отчасти от того, в каком направлении двигается волна: вверх или вниз по потоку. Время прохождения сигнала, двигающегося вниз по потоку (т.е. в направлении потока), больше, чем время прохождения сигнала вверх по потоку (т.е. против направления потока). Время прохождения сигнала вверх и вниз по потоку используется для вычисления средней скорости вдоль пути следования сигнала, а также оно может быть использовано для расчета скорости звука в текучей среде. Данные измерения расходомера, средняя скорость потока через сечение расходомера используются для расчета объема текучей среды, протекшего через секцию трубопровода 100.
Для более точного определения объемного расхода у ультразвуковых расходомеров может быть более одной хорды. На фигуре 2 изображен ультразвуковой расходомер с несколькими хордами. В данных исполнениях секция трубопровода 100 содержит четыре хордовых пути А, В, С и D, расположенных на различных уровнях потока текучей среды. Каждому хордовому пути A-D соответствуют два датчика, поочередно работающие в режиме приема и передачи. Также на фигуре 2 изображена управляющая электронная часть 160, принимающая и обрабатывающая данные, полученные от четырех пар датчиков (не показаны на фигуре 2), образующих хордовые пути A-D.
Точное расположение четырех пар датчиков лучше видно из фигуры 3. Четыре пары портов для датчиков установлены на секцию трубопровода 100. Каждая пара портов для датчиков соответствует одному хордовому пути, изображенному на фигуре 2. Первая пара портов 125 и 135, включая взаимосвязанные датчики, размещена на секции трубопровода 100. Другая пара портов 165 и 175 (на чертеже изображены лишь частично) с установленными в них датчиками расположена таким образом, что образуемая ими хорда расположена крест накрест с хордой датчиков 125 и 135. Аналогично порты датчиков 185 и 195 расположены параллельно портам 165 и 175, но находятся на другом уровне (т.е. находятся в другом радиальном положении на секции трубопровода). Также на фигуре 3 частично изображена четвертая пара датчиков, расположенных таким же образом, что и хорды А и В верхней пары датчиков, у них также хорды С и D расположены крест накрест. Скорость потока текучей среды определяется на каждой хорде A-D. В результате получаются скорости потока для каждой хорды. Эти данные собираются для определения средней скорости потока по всему трубопроводу.
На фигуре 5 изображена структурная схема ультразвукового расходомера, содержащего большое количество датчиков и возбудителей. В частности, на фигуре 5 изображены датчики 200А-200Н. Каждый датчик соединен с соответствующим возбудителем 202А-202Н. За период времени, когда датчик 200 генерирует сигналы, соответствующий ему возбудитель 202 отвечает за передачу сигнала датчику. Процессор 204 выборочно включает каждый возбудитель 202 включением сигнальной линии 206. В то время, когда датчик 200 работает в режиме приема ультразвуковых сигналов, процессор 204 отключает соответствующий возбудитель 202. Датчик 200 соединен с приемником 208 через N-канальный мультиплексор 210. Мультиплексор 210 управляется процессором 204 посредством сигнальных магистралей 212.
Изобретением также устанавливается, что, несмотря на одинаковое исполнение цепей возбудителей, каждый возбудитель 202 обладает собственными характеристиками, а это ведет к различным временам задержки. Различия во времени задержки среди возбудителей 202 в различных ситуациях может достигать 50 наносекунд. Такая разница во времени задержки датчика может привести к значительной разнице в нахождении времени прохождения импульса вверх и вниз по потоку, особенно в ультразвуковых жидкостных расходомерах.
Для объяснения принципа работы берется пара датчиков ультразвукового расходомера, каждому из которых соответствует собственный возбудитель. В дальнейшем подразумевается, что датчик 1 является входным, а датчик 2 - выходным по отношению к направлению потока. Учитывая это, разница времени может быть найдена по следующей формуле:
D_UP
где Delta Time - разница времени;  - измеренное время прохождения сигнала по потоку, а  - измеренное время прохождения сигнала против потока. На фигуре 6 изображены пара датчиков и соответствующая ей электронная часть для проведения сигнала по потоку, соответствующее время T изображено стрелкой 300. На фигуре 7 изображены пара датчиков и соответствующая ей электронная часть для проведения сигнала против потока, соответствующее время  изображено стрелкой 302. Как показано на фигурах 6 и 7, измеренное время прохождения состоит из нескольких компонент. Для сигнала, идущего по потоку:
TX2
RX1
где T - компонента времени задержки, связанная с каналом передачи датчику 2 (изображено стрелкой 304);  - реальное время прохождения ультразвукового сигнала вверх против потока (стрелка 306); T - компонента времени задержки, связанная с каналом передачи датчику 1 (стрелка 308). Аналогично:
TX1
RX2
где T - компонента времени задержки, связанная с каналом передачи датчику 1 (стрелка 310 на фигуре 7);  - реальное время прохождения ультразвукового сигнала вниз по потоку (стрелка 312); Т - компонента времени задержки, связанная с каналом передачи датчику 2 (стрелка 314).
Компоненты приема и передачи времени задержки сами могут состоять из нескольких компонент. Рассмотрим первый канал передачи для измерений сигнала, идущего по потоку, изображенный на фигуре 7:
где  - компонента времени задержки, связанная с задержкой времени работы логики и задержкой прохождения сигнала через возбудитель датчика 1 (стрелка 316);  - компонента времени задержки, вызванная задержкой прохождения сигнала через датчик 1 (стрелка 318). Аналогичные измерения производятся для канала передачи измерений сигнала, двигающегося против потока, изображенного на фигуре 6:
где  - компонента времени задержки, связанная с задержкой времени работы логики и задержкой прохождения сигнала через возбудитель датчика 2 (стрелка 320);  - компонента времени задержки, вызванная задержкой прохождения сигнала через датчик 2 (стрелка 322). Аналогичные измерения проводятся для приемника:
где  - компонента времени задержки, связанная с задержкой прохождения сигнала через датчик 1 (стрелка 324 на фигуре 6);  - компонента времени задержки, связанная с задержкой прохождения сигнала через цепь мультиплексора (например, элемент 210 на фигуре 5, стрелка 326 на фигуре 6);  - компонента времени задержки, связанная с задержкой прохождения сигнала через цепи усилителя и дискретизатора (например, элемент 208 на фигуре 5, стрелка 328 на фигуре 6). Аналогичные измерения производятся для сигнала по потоку:
где  - компонента времени задержки, связанная с задержкой прохождения сигнала через датчик 2 (стрелка 328 на фигуре 7);  - компонента времени задержки, связанная с задержкой прохождения сигнала через цепь мультиплексора (например, элемент 210 на фигуре 5, стрелка 332 на фигуре 7);  - компонента времени задержки, связанная с задержкой прохождения сигнала через цепи усилителя и дискретизатора (например, элемент 208 на фигуре 5, стрелка 334 на фигуре 6).
Подставив все значения компонент, составляющих измеренное время прохождения против потока  и по потоку , в уравнение (1), получаем:
После подстановки значений компонент, связанных с задержками при передаче по каналам связи, в уравнение (8) получаем:
После сокращения получаем:
Предположим, что внутри расходомера нет текучей среды, т.е. жидкости или газа. В таком случае время прохождения сигнала по потоку  равно времени прохождения сигнала по потоку , отсюда следует:
В данном случае разница времени (Delta Time) должна быть нулевой. В реальных системах значение разности времени равняется разнице между компонентами времени задержки возбудителя. Также на разницу времени влияют задержки прохождения сигнала в компонентах системы.
Для решения этих проблем в различных исполнениях заявляемого изобретения один возбудитель сопоставлен сразу двум датчикам, работающим в паре. Так как при использовании одного возбудителя для двух датчиков, , из уравнения (11) следует, что разница времени должна быть нулевой при условии отсутствия потока. Иначе говоря, данное техническое решение ведет к устранению компонент времени задержки, связанных с различными характеристиками возбудителей. На фигуре 8 изображена структурная схема ультразвукового расходомера 1000 в соответствии с некоторыми исполнениями изобретения. В частности, ультразвуковой расходомер 1000 содержит датчики 400А - 400Н. Несмотря на то, что на чертеже изображено восемь датчиков, их может быть любое требуемое количество. Каждый датчик 400 связан с приемником 402 посредством N канального мультиплексора 404. Приемник 402 принимает ультразвуковые сигналы, созданные вибрацией пьезоэлектрического элемента передающего датчика, усиливает и обрабатывает эти сигналы. Процессор 406 посылает управляющие сигналы по сигнальным магистралям 408 для выборочного соединения каждого датчика 400 с приемником 402, когда этот датчик должен работать в режиме приема сигнала. Процессор может быть выполнен в виде автономного процессора или микропроцессорного управляющего устройства. В других исполнениях изобретения функции микропроцессора могут выполнять программируемое логическое устройство (ПЛУ), программируемая вентильная матрица (ПВМ), специализированная интегральная схема или подобные устройства.
В соответствии с исполнениями на фигуре 8 видно, что каждая пара датчиков соединена с соответствующим возбудителем. Привод датчиков может быть выполнен в различных формах. В некоторых исполнениях возбудитель содержит электросхему, создающую и усиливающую сигналы переменного тока, которые затем подаются на соответствующие датчики для создания вибраций пьезоэлектрического элемента, и, как следствие, ультразвукового сигнала. В данных исполнениях возбудитель подчиняется командам процессора, посылающего управляющие сигналы по сигнальным магистралям 413. В альтернативных исполнениях возбудитель усиливает сигналы переменного тока, подающиеся на него процессором 406 (а также возможно другими устройствами), схожими с теми, которые подаются по сигнальным магистралям 413.
Также из фигуры 8 видно, что возбудитель 410 соединен с мультиплексором 412, который выборочно соединяет возбудитель 410 с датчиком 400А или 400В. Возбудитель 418 соединен с мультиплексором 416, выборочно соединяющим возбудитель 418 с датчиками 400С или 400D. Возбудитель 422 соединен с мультиплексором 420, выборочно соединяющим возбудитель 422 с датчиками 400Е или 400F. Наконец, возбудитель 426 соединен с мультиплексором 424, выборочно соединяющим возбудитель 426 с датчиками 400G или 400Н. Концентраторы управляются процессором 406.
Таким образом, в исполнениях, изображенных на фигуре 8, ошибки разницы времени, связанные с различными характеристиками возбудителей, снижены или устранены путем соединения пары датчиков с одним возбудителем. Количество возбудителей снижено в два раза по сравнению с предыдущими исполнениями, в которых каждому датчику соответствует собственный возбудитель. В заявляемых исполнениях в системе присутствует только один возбудитель, что не только снижает или устраняет временные ошибки, вызванные разницей в характеристиках возбудителей, но также значительно уменьшает число компонентов системы ультразвукового расходомера.
На фигуре 9 изображена структурная схема ультразвукового расходомера 1100 в соответствии с некоторыми исполнениями изобретения. В частности, ультразвуковой расходомер 1100 содержит датчики 400А-400Н. Несмотря на то, что на чертеже изображено восемь датчиков, их может быть любое требуемое количество. Каждый датчик 400 связан с приемником 402 посредством двух мультиплексоров: N-канального мультиплексора 500 и 2-канального мультиплексора 502. Концентраторы 500 и 502 связаны с процессором 406 посредством сигнальных магистралей 504 и 506 соответственно. Программное обеспечение процессора 406 выборочно соединяет каждый датчик 400 с приемником 402, когда этот датчик должен работать в режиме приема сигнала.
Также из фигуры 9 видно, что всем датчикам 400 соответствует один возбудитель 508. В частности, каждый датчик 400 связан с приемником 402 посредством двух мультиплексоров: N-канального мультиплексора 500 и 2-канального мультиплексора 502. Программное обеспечение процессора 406 выборочно соединяет каждый датчик 400 с приемником 402, когда этот датчик должен работать в режиме приема сигнала.
На фигуре 4 изображен способ работы системы возбудителей и датчиков ультразвукового расходомера. В частности, после начала работы (блок 600) осуществляют подключение первого возбудителя к первому датчику для создания ультразвукового сигнала (блок 604). Первый ультразвуковой сигнал передают на второй датчик (блок 608). Затем в соответствии с описанными исполнениями осуществляют соединение первого возбудителя со вторым датчиком для создания второго ультразвукового сигнала (блок 612). В итоге второй ультразвуковой сигнал передают на первый датчик (блок 616), и процесс завершается.
Как описано выше, использование одного возбудителя для двух датчиков значительно снижает временные ошибки, связанные с разностью характеристик возбудителей.
Несмотря на то, что выше описаны различные исполнения изобретения, опытным инженером могут быть произведены любые модификации, не противоречащие сути изобретения. Исполнения, описанные в данном документе, не являются единственно возможными. Например, тогда как в данном документе упомянуты ультразвуковые расходомеры, любой канал связи в любом электронном устройстве может быть рассчитан в соответствии с описанными исполнениями. Более того, несмотря на то, что в описанных исполнениях хорды расположены крест накрест, это не является обязательным условием, в рамках изобретения возможны любые другие варианты, включая отраженные траектории. Следовательно, область охраны изобретения не ограничена описанными в данном документе исполнениями изобретения, но ограничена последующей формулой изобретения, область охраны которой включает в себя все объекты формулы изобретения.