ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ПОТОКА ПРИ ЭТАЛОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
MEASURING ELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF OBTAINING VISCOSITY OF FLUID FLOW AT REFERENCE TEMPERATURE

1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к измерительному электронному устройству и способу получения вязкости текучей среды потока и, в частности, к измерительному электронному устройству и способу получения вязкости текучей среды потока при заданной эталонной температуре.
2. Формулировка проблемы
Вибрационные датчики, такие как вибрационные денситометры и вибрационные вискозиметры, как правило, действуют путем обнаружения движения вибрирующего элемента, который вибрирует в присутствии измеряемого текучего материала. Связанные с текучим материалом свойства, такие как плотность, вязкость, температура и т.п., могут определяться путем обработки сигналов измерительного прибора, которые принимаются от датчиков перемещений, связанных с вибрирующим элементом. Моды колебаний системы вибрирующего элемента, как правило, подвергаются влиянию суммарных характеристик массы, жесткости и демпфирования вибрирующего элемента и текучего материала.
Помимо непосредственного измерения вязкости рабочей текучей среды при рабочей температуре для применения на нефтеперерабатывающих заводах может потребоваться возможность определения вязкости при эталонной температуре, поскольку вязкость текучей среды может изменяться с температурой. Чувствительность вязкости к температуре у некоторых текучих сред может быть выше, чем у других текучих сред.
Стандарт ASTM D341, использующий функцию интерполяции Уббелоде-Вальтера, широко применяется для получения кинематической вязкости нефтяного масла или жидкого углеводорода при любой температуре в ограниченном диапазоне. Уравнение ASTM D341 содержит две константы - А и В, которые должны быть получены перед тем, как может быть вычислена вязкость при эталонной температуре. Уравнение ASTM D341 в качестве математической модели, описывающей температурные характеристики вязкости, особенно пригодна для углеводородных текучих сред или смесей.
Один способ из уровня техники для вычисления зависимости вязкости от температуры использует уравнение ASTM D341 в сочетании с двойным вискозиметром, содержащим теплообменник. Двойной вискозиметр измеряет вязкость рабочей текучей среды при двух различных температурах и посредством этого определяет константы А и В. При этом вязкость для промежуточных температур может вычисляться с использованием этих двух констант.
Однако подход с использованием двойного вискозиметра и теплообменника из уровня техники имеет недостатки. Подход с использованием двойного вискозиметра и теплообменника из уровня техники является сложным. Теплообменнику может потребоваться дополнительное пространство.
Подход с использованием двойного вискозиметра и теплообменника из уровня техники является дорогостоящим. Стоимость двойного вискозиметра и теплообменника и стоимость монтажа могут быть слишком большими, чтобы их можно было оправдать в некоторых сферах применения.
Раскрытие изобретения
В одном аспекте изобретения измерительное электронное устройство для получения вязкости текучей среды потока при заданной эталонной температуре содержит:
интерфейс, выполненный с возможностью обмена сообщениями;
систему хранения, выполненную с возможностью хранения заданной эталонной температуры, измеренной вязкости текучей среды, измеренной температуры текучей среды и данных отношения температуры и вязкости, которые связывают температуру с вязкостью в заданном диапазоне температур текучей среды потока; и
систему обработки, выполненную с возможностью получения измеренной температуры текучей среды, получения измеренной вязкости текучей среды и формирования вязкости при эталонной температуре с использованием измеренной вязкости текучей среды и данных отношения температуры и вязкости, при этом сформированная вязкость при эталонной температуре соответствует заданной эталонной температуре.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости связывают температуру с вязкостью для двух или более текучих сред потока в заданном диапазоне температур текучей среды потока.
Предпочтительно одно или оба из измеренной вязкости текучей среды и измеренной температуры текучей среды получают с использованием вибрационного датчика.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости содержат полиномиальное уравнение.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости содержат полиномиальное уравнение заданного порядка полинома.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости содержат выражение отношения, сохраняемое в виде математического уравнения.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости содержат выражение отношения, сохраняемое в виде структуры данных.
Предпочтительно система хранения хранит две или более эталонных кривых текучей среды потока и заданный порядок полинома, при этом система обработки выполнена с возможностью получения заданного порядка полинома и создания данных отношения температуры и вязкости по двум или более эталонным кривым текучей среды потока, измеренной температуре текучей среды, заданной эталонной температуре и заданному порядку полинома.
В одном аспекте изобретения способ получения вязкости текучей среды потока при заданной эталонной температуре включает в себя:
получение измеренной температуры текучей среды;
получение измеренной вязкости текучей среды; и
формирование вязкости при эталонной температуре с использованием измеренной вязкости текучей среды и данных отношения температуры и вязкости, которые связывают температуру с вязкостью в заданном диапазоне температур текучей среды потока, при этом сформированная вязкость при эталонной температуре соответствует заданной эталонной температуре.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости связывают температуру с вязкостью для двух или более текучих сред потока в заданном диапазоне температур текучей среды потока.
Предпочтительно одно или оба из измеренной вязкости текучей среды и измеренной температуры текучей среды получают с использованием вибрационного датчика.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости содержат полиномиальное уравнение.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости содержат полиномиальное уравнение заданного порядка полинома.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости содержат выражение отношения, сохраняемое в виде математического уравнения.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости содержат выражение отношения, сохраняемое в виде структуры данных.
Предпочтительно данные отношения температуры и вязкости формируются по двум или более эталонным кривым текучей среды потока с использованием подбора аппроксимирующей кривой.
Предпочтительно способ дополнительно включает в себя предварительные этапы получения используемого заданного порядка полинома и создания данных отношения температуры и вязкости по двум или более эталонным кривым текучей среды потока, измеренной температуре текучей среды, заданной эталонной температуре и заданному порядку полинома.
Предпочтительно способ дополнительно включает в себя предварительные этапы измерения вязкости конкретной текучей среды потока при двух или более температурах для создания двух или более точек данных о температуре и вязкости для конкретной текучей среды потока, обработки двух или более текучих сред потока и накопления множества точек данных о температуре и вязкости для двух или более текучих сред потока с целью создания двух или более кривых текучих сред потока, получения используемого заданного порядка полинома и создания данных отношения температуры и вязкости по двум или более эталонным кривым текучей среды потока, измеренной температуре текучей среды, заданной эталонной температуре и заданному порядку полинома.
Краткое описание чертежей
На всех чертежах одинаковые ссылочные позиции соответствуют одинаковым элементам. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
На фиг. 1 изображен вибрационный датчик в соответствии с изобретением.
На фиг. 2 изображен вибрационный камертонный датчик в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 3 изображен график амплитудно-частотной характеристики изображенной на фиг. 2 камертонной структуры.
На фиг. 4 изображено измерительное электронное устройство вибрационного датчика для получения вязкости текучей среды потока при заданной эталонной температуре в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 5 представляет собой структурную схему способа формирования данных отношения температуры и вязкости в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 6 представляет собой график множества эталонных кривых текучей среды потока, который могут использоваться для формирования данных отношения температуры и вязкости.
Фиг. 7 представляет собой структурную схему способа получения вязкости текучей среды потока при заданной эталонной температуре в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 8 изображен пример подбора аппроксимирующей кривой вязкости при двух различных температурах.
Осуществление изобретения
На фиг. 1-8 и в нижеследующем описании приведены конкретные примеры, демонстрирующие специалистам, как создать и использовать наилучший вариант выполнения изобретения. Чтобы показать принципы изобретения, некоторые традиционные аспекты были упрощены или пропущены. Из упомянутых примеров специалистам будут понятны модификации, находящиеся в пределах объема изобретения. Специалистам будет понятно, что описываемые ниже признаки могут быть объединены различным образом с образованием множества модификаций изобретения. Вследствие этого изобретение не ограничено конкретными примерами, описываемыми ниже, а ограничено лишь формулой изобретения и ее эквивалентами.
На фиг. 1 изображен вибрационный датчик 5 в соответствии с изобретением. Вибрационный датчик 5 может соединяться с измерительным электронным устройством 20 с использованием проводника или проводников 100. Вибрационный датчик 5 и измерительное электронное устройство 20 могут функционировать с целью получения результатов измерений текучих сред. Вибрационный датчик 5 и измерительное электронное устройство 20 могут получать результаты измерений текучих сред, включающие в себя одно или более из плотности текучей среды и вязкости текучей среды для текучей среды, содержащей текущие или нетекущие текучие среды. Вязкость является мерой сопротивления текучей среды течению. Измерение вязкости может включать в себя важное измерение текучей среды в сферах применения управления технологическим процессом и ОЕМ. Типичный вибрационный датчик действует по принципу вибрирующего элемента. Вибрационный датчик 5 и измерительное электронное устройство 20 могут дополнительно получать результаты измерений текучей среды, включающие в себя массовый расход текучей среды, объемный расход текучей среды и/или температуру текучей среды. Упомянутый список не является исчерпывающим, и вибрационный датчик 5 может измерять или определять иные характеристики текучей среды.
Текучая среда может включать в себя жидкость. Текучая среда может включать в себя газ. В соответствии с другим вариантом, текучая среда может включать в себя многофазную текучую среду, такую как жидкость, которая содержит увлеченный газ, механические примеси, множество жидкостей или их комбинацию.
Вибрационный датчик 5 может быть установлен в трубопроводе или канале. Вибрационный датчик 5 может быть установлен в резервуаре, либо в емкости, либо в сооружении для вмещения воды. Вибрационный датчик 5 может быть установлен в коллекторе или подобной конструкции для направления потока воды.
В некоторых вариантах осуществления вибрационный датчик 5 может быть выполнен в виде вибрационного камертонного датчика. В качестве альтернативы, в прочих вариантах осуществления вибрационный датчик 5 может быть выполнен в виде вибрационного канального датчика. В некоторых вариантах осуществления вибрационный датчик 5 может быть выполнен в виде вибрационного денситометра 5 или вибрационного вискозиметра 5. В качестве альтернативы, в прочих вариантах осуществления вибрационный датчик 5 может быть выполнен в виде массового расходомера 5 Кориолиса.
Измерительное электронное устройство 20 может выдавать электрическую энергию в вибрационный датчик 5 с использованием проводника или проводников 100. Измерительное электронное устройство 20 может управлять работой вибрационного датчика 5 с использованием проводника или проводников 100. Например, измерительное электронное устройство 20 может формировать управляющий сигнал и подавать управляющий сигнал в вибрационный датчик 5, причем вибрационный датчик 5 формирует вибрацию в одном или более из вибрационных компонентов с использованием управляющего сигнала. Управляющий сигнал может управлять амплитудой вибраций. Управляющий сигнал может управлять частотой вибраций. Управляющий сигнал может управлять длительностью вибраций и/или временным режимом вибраций.
Измерительное электронное устройство 20 может принимать измерительный сигнал или сигналы от вибрационного датчика 5 с использованием проводника или проводников 100. Измерительное электронное устройство 20 может дополнительно соединяться с каналом 26 связи. Измерительное электронное устройство 20 может передавать измерительный сигнал или сигналы по каналу 26 связи. Измерительное электронное устройство 20 может обрабатывать принимаемый измерительный сигнал или сигналы для формирования измеренного значения или значений и может передавать измеренное значение или значения по каналу 26 связи.
Кроме того, измерительное электронное устройство 20 может принимать информацию по каналу 26 связи. Измерительное электронное устройство 20 может принимать команды, обновления, рабочие параметры или изменения рабочих параметров и/или обновления или изменения программ по каналу 26 связи.
Измерительное электронное устройство 20 может обрабатывать измерительный сигнал или сигналы для определения частоты сигнала или сигналов. Частота может представлять собой резонансную частоту текучей среды. Частота может использоваться для определения плотности текучей среды. Кроме того, или помимо этого, измерительное электронное устройство может обрабатывать измерительный сигнал или сигналы для определения прочих характеристик текучей среды, таких как сдвиг фаз между сигналами, который может обрабатываться, например, для определения массового расхода текучей среды. Предусматриваются и иные амплитудно-частотные характеристики вибраций, находящиеся в пределах объема описания и формулы изобретения.
На фиг. 2 изображен вибрационный камертонный датчика 5 в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. Вибрационный датчик 5 в изображенном варианте осуществления содержит измерительную головку 130, которая соединена с камертонной структурой 104 посредством оси 115. Ось 115 может иметь любую требуемую длину. Ось 115 может быть по меньшей мере частично полой, при этом между измерительной головкой 130 и камертонной структурой 104 через ось 115 могут проходить провода или иные проводники.
Измерительная головка 130 может содержать схемные компоненты, такие как возбуждающая схема 138, приемная схема 134 и интерфейсная схема 136 в изображенном варианте осуществления. Интерфейсная схема 136 может соединяться с проводником или проводниками 100 и с измерительным электронным устройством 20. Следует понимать, что в соответствии с другим вариантом любые или все схемные компоненты измерительной головки 130 могут располагаться в измерительном электронном устройстве 20.
Вибрационный элемент вибрационного камертонного датчика 5 содержит камертонную структуру 104, которая погружается в измеряемую жидкость. Камертонная структура 104 содержит корпус 105, который может быть прикреплен к другой конструкции, такой как трубопровод, канал, резервуар, емкость, коллектор или иная содержащая воду конструкция. Корпус 105 поддерживает камертонную структуру 104, в то время как камертонная структура 104 остается по меньшей мере частично открытой. Следовательно, камертонная структура выполнена с возможностью погружения в жидкость.
Камертонная структура 104 содержит первую и вторую ножки 112 и 114, которые выполнены с возможностью продолжения по меньшей мере частично в текучую среду. Первая и вторая ножки 112 и 114 выполнены в виде удлиненных элементов, которые могут иметь любую необходимую форму поперечного сечения. Первая и вторая ножки 112 и 114 по своему характеру могут быть по меньшей мере частично гибкими или эластичными.
Вибрационный камертонный датчик 5 дополнительно содержит соответствующие первый и второй пьезоэлементы 122 и 124, выполненные в виде пьезоэлектрических элементов. Первый и второй пьезоэлементы 122 и 124 расположены вблизи первой и второй ножек 112 и 114 соответственно. Первый и второй пьезоэлементы 122 и 124 выполнены с возможностью соприкосновения и механического взаимодействия с первой и второй ножками 112 и 114.
Первый пьезоэлемент 122 может соприкасаться по меньшей мере с частью первой ножки 112. Первый пьезоэлемент 122 может электрически соединяться с возбуждающей схемой 138, при этом возбуждающая схема 138 выдает изменяющийся во времени сигнал возбуждения на первый пьезоэлемент 122. Первый пьезоэлемент 122 может расширяться и сжиматься в тех случаях, когда он подвергается воздействию изменяющегося во времени сигнала возбуждения. Вследствие этого первый пьезоэлемент 122 в соответствии с другим вариантом может деформировать и перемещать первую ножку 112 из стороны в сторону в колебательном движении (см. пунктирные линии), возмущая жидкость.
Второй пьезоэлемент 124 может быть соединен с приемной схемой 134, которая выдает изменяющийся во времени ответный сигнал, соответствующий деформациям второй ножки 114 в жидкости. Перемещения второй ножки могут вследствие этого вызывать соответствующий электрический вибрационный измерительный сигнал, формируемый вторым пьезоэлементом 124. Второй пьезоэлемент 124 передает вибрационный измерительный сигнал на приемную схему 134. В некоторых вариантах осуществления приемная схема 134 может обрабатывать вибрационный измерительный сигнал. Результирующая частота колебаний детектируется приемной схемой 134.
Приемная схема 134 может соединяться с интерфейсной схемой 136. Интерфейсная схема 136 может быть выполнена с возможностью обмена данными с внешними устройствами, такими как измерительное электронное устройство 20. Интерфейсная схема 136 может быть выполнена с возможностью передачи вибрационного измерительного сигнала и/или значений обработанного результата. Следует понимать, что в соответствии с другим вариантом измерительное электронное устройство 20 может обрабатывать вибрационный измерительный сигнал и/или формировать детектированную вибрационную частоту текучей среды.
Камертонная структура 104 в некоторых вариантах осуществления, как правило, удерживается на первой частоте свободных колебаний с учетом изменений, вносимых окружающей текучей средой. Камертонная структура 104, как правило, удерживается на первой частоте свободных колебаний возбуждающей схемой 138. Возбуждающая схема 138 может принимать вибрационный измерительный сигнал от приемной схемы 134 (или может непосредственно принимать вибрационный измерительный сигнал).
Возбуждающая схема 138 может формировать сигнал возбуждения по вибрационному измерительному сигналу и может изменять характеристики вибрационного измерительного сигнала с целью формирования сигнала возбуждения. Возбуждающая схема 138 может изменять вибрационный измерительный сигнал для создания необходимого возмущения результирующей частоты в текучей среде. Возбуждающая схема 138 дополнительно может изменять вибрационный измерительный сигнал для компенсации длины межсоединения между измерительной головкой 130 и камертонной структурой 104 и/или, например, для компенсации потерь в вибрационном измерительном сигнале.
Фиг. 3 представляет собой график амплитудно-частотной характеристики камертонной структуры 104. Возбуждающая схема 138 может быть выполнена с возможностью возбуждения в камертонной структуре 104 необходимой вибрации или вибраций. В камертонной структуре 104 могут возбуждаться вибрации с необходимым фазовым сдвигом или фазовыми сдвигами между датчиком вибраций и возбудителем вибраций, создающим ответные вибрации, как показано на чертеже. Кривая ответных вибраций может использоваться для получения характеристик текучей среды.
Две точки А и В могут являться точками -3 дБ, расположенными на 3 дБ (децибела) ниже амплитуды пика или амплитуды резонансной частоты вибраций. В соответствии с другим вариантом, две точки А и В могут являться заданными сдвигами фаз, например сдвигами фаз на -45 и +45 градусов.
В
0
В некоторых вариантах осуществления резонансная частота текучей среды может определяться по точке В. Резонансная частота является функцией общей массы камертонного элемента и плотности текучей среды, окружающей его. Следовательно, с изменением плотности текучей среды изменяется общая вибрирующая масса, а вместе с ней и частота точки В на кривой. Путем определения частоты точки В и периода τ колебаний в точке В (где τ приблизительно составляет τ=1/f) в некоторых вариантах осуществления может быть вычислена плотность текучей среды. Точка В может являться относительно не подверженной влиянию плотности текучей среды. В соответствии с другим вариантом, кривая ответной вибрации может считаться практически симметричной, а резонансная частота f может рассматриваться как средняя точка между точками А и В.
А
В
0
Путем определения периодов колебаний для точек А и В на графике (т.е. периодов τ и τ колебаний) может быть вычислена добротность (Q) текучей среды. Добротность (Q) может представлять собой определенную резонансную частоту f, деленную на разность или расстояние между точками А и В.
Добротность (Q) можно определить как меру скорости, с которой вибрирующая система рассеивает свою энергию. Более высокая Q указывает на более низкую скорость рассеяния энергии. Следовательно, добротность (Q) камертонной структуры 104 является функцией демпфирования материала ножки и демпфирования, вносимого вязкостью окружающей текучей среды. Таким образом, с изменением вязкости текучей среды изменяется общее демпфирование, а вместе с ним и величина Q.
Величина вязкости текучей среды может быть определена по добротности (Q), причем разность в частоте/периоде (τ) колебаний между точками А и В может быть связана с демпфированием из-за текучей среды.
На фиг. 4 изображено измерительное электронное устройство 20 вибрационного датчика 5 для получения вязкости текучей среды потока при заданной эталонной температуре в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. Измерительное электронное устройство 20 может являться компонентом вибрационного датчика 5. В соответствии с другим вариантом, электронное устройство 20 может быть соединено с вибрационным датчиком 5 или с узлом 10 расходомера.
Измерительное электронное устройство 20 может содержать интерфейс 201 и систему 203 обработки. Измерительное электронное устройство 20 принимает первый и второй сигналы датчика от измерительного узла 10, например, сигналы тензочувствительного измерительного преобразователя/датчика скорости и сигнал датчика температуры. Измерительное электронное устройство 20 обрабатывает принимаемые сигналы с целью получения характеристик потока для материала потока, протекающего через измерительный узел 10. Например, измерительное электронное устройство 20 может определять по сигналам датчика, например, одно или более из разности фаз, частоты, разности (t) по времени, плотности, массового расхода, объемного расхода и вязкости. Кроме того, в соответствии с изобретением могут быть определены другие характеристики потока.
Интерфейс 201 принимает сигналы датчика от одного из датчиков 105a и 105b скорости по изображенным на фиг. 1 проводникам 100. Интерфейс 201 может выполнять любое необходимое или требуемое преобразование сигнала, например, любой способ форматирования, усиления, буферизации и т.д. В соответствии с другим вариантом, некоторое или все преобразование сигнала может выполняться в системе 203 обработки.
Кроме того, интерфейс 201 может обеспечивать передачу данных между измерительным электронным устройством 20 и внешними устройствами, например, по каналу 26 связи. Интерфейс 201 может быть выполнен с возможностью обеспечения любого способа электронной, оптической или беспроводной передачи данных.
В одном варианте осуществления интерфейс 201 содержит аналого-цифровой преобразователь (на чертеже не показан), причем сигнал датчика является аналоговым сигналом датчика. Аналого-цифровой преобразователь дискретизирует и оцифровывает аналоговый сигнал датчика и формирует цифровой сигнал датчика. Интерфейс/аналого-цифровой преобразователь может также выполнять любое необходимое прореживание, причем цифровой сигнал датчика прореживается с целью сокращения объема необходимой обработки сигнала и уменьшения времени обработки.
Система 203 обработки выполняет операции измерительного электронного устройства 20 и обрабатывает результаты измерений потока от узла 10 расходомера. Система 203 обработки выполняет одну или более процедур обработки и посредством этого обрабатывает результаты измерений потока с целью формирования одной или более характеристик потока.
Система 203 обработки может быть выполнена в виде универсального компьютера, многопроцессорной системы, логической схемы или какого-либо иного универсального или специализированного устройства обработки данных. Система 203 обработки может быть распределена по множеству устройств обработки данных. Система 203 обработки может содержать любого рода любого рода встроенный или независимый электронный носитель информации, такой как система 204 хранения.
Система 204 хранения может быть соединена с системой 204 обработки, либо она может составлять часть системы 203 обработки. Система 204 хранения может хранить параметры и данные расходомера, программы из системы программного обеспечения, значения констант и значения переменных.
Система 204 хранения может хранить процедуры, которые исполняются системой 203 обработки. Например, в одном варианте осуществления система 204 хранения хранит процедуру 231 пересчета температуры, которая используется для получения вязкости текучей среды потока при заданной эталонной температуре. Следует понимать, что в системе 204 хранения могут храниться другие процедуры.
Система 204 хранения может хранить результаты измерений и прочие данные, формируемые вибрационным датчиком 5. Система 204 хранения может хранить измеренную вязкость 214 текучей среды и измеренную температуру 215 текучей среды. Измеренная вязкость 214 текучей среды и измеренная температура 215 текучей среды могут, например, формироваться или получаться вибрационным датчиком 5. Следует понимать, что в системе 204 хранения могут храниться дополнительные результаты измерений или формируемые датчиком значения.
Система 204 хранения может хранить данные, используемые при обработке/операции. В одном варианте осуществления система 204 хранения хранит измерительные сигналы, например, две или более ответные вибрации (на чертеже не показаны), принимаемые от датчика скорости/тензочувствительного измерительного преобразователя 105a и 105b. Система 204 хранения может хранить заданную эталонную температуру 211. Система 204 хранения может хранить данные 218 отношения температуры и вязкости, которые могут использоваться для пересчета результатов измерений вязкости.
Данные 218 отношения температуры и вязкости в некоторых вариантах осуществления связывают температуру с вязкостью в заданном диапазоне температур текучей среды потока. Данные 218 отношения температуры и вязкости в некоторых вариантах осуществления связывают температуру с вязкостью для двух или более текучих сред потока в заданном диапазоне температур текучей среды потока. Данные 218 отношения температуры и вязкости в некоторых вариантах осуществления содержат полиномиальное уравнение. Данные 218 отношения температуры и вязкости в некоторых вариантах осуществления содержат полиномиальное уравнение заданного порядка 223 полинома. Данные 218 отношения температуры и вязкости в некоторых вариантах осуществления содержат выражение отношения, сохраняемое в виде математического уравнения. Данные 218 отношения температуры и вязкости в некоторых вариантах осуществления содержат выражение отношения, сохраняемое в виде структуры данных.
Система 204 хранения может хранить две или более эталонных кривых 221 текучей среды потока, причем упомянутые две или более эталонные кривые 221 текучей среды потока отражают соотношения температуры и вязкости для двух или более текучих сред потока в заданном диапазоне температур текучей среды потока. Система 204 хранения может хранить заданный порядок 223 полинома. Следует понимать, что в системе 204 хранения могут храниться дополнительные эксплуатационные данные.
Система 204 хранения может хранить данные, которые формируются операциями обработки. Система 204 хранения может хранить вязкость 227 при эталонной температуре, которая формируется по измеренной вязкости 214 текучей среды, например, с использованием данных 218 отношения температуры и вязкости. Следует понимать, что в системе 204 хранения могут храниться дополнительные сформированные данные.
Во время эксплуатации система 203 обработки может загружать и исполнять процедуру 231 пересчета температуры. В результате этого система 203 обработки может получать измеренную температуру 215 текучей среды, получать измеренную вязкость 214 текучей среды и формировать и вязкость 227 при эталонной температуре с использованием измеренной вязкости 214 текучей среды и данных 218 отношения температуры и вязкости, при этом сформированная вязкость 227 при эталонной температуре соответствует заданной эталонной температуре 211.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления система 204 хранения может хранить упомянутые две или более эталонные кривые 221 текучей среды потока и заданный порядок 223 полинома, при этом система 203 обработки выполнена с возможностью получения заданного порядка 223 полинома и формирования данных 218 отношения температуры и вязкости по двум или более эталонным кривым 221 текучей среды потока, измеренной температуре 215 текучей среды, заданной эталонной температуре 211 и заданному порядку 223 полинома.
В системе 204 хранения может храниться вязкость 223 при эталонной температуре. Вязкость 223 при эталонной температуре может накапливаться в системе 204 хранения. Вязкость 223 при эталонной температуре может переноситься или передаваться во внешние устройства или места по каналу 26 связи (см. фиг. 1).
Вибрационный датчик 5 может при этом быть выполнен в виде одиночного вискозиметра, который использует метод множества кривых для вычисления вязкости текучей среды, но при эталонной температуре вместо измеренной температуры текучей среды. Измерительное электронное устройство 20 может хранить заданное семейство эталонных кривых вязкости (т.е. упомянутые две или более эталонных кривых 221 текучей среды потока).
Фиг. 5 представляет собой блок-схему 500 способа формирования данных отношения температуры и вязкости в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. На этапе 501 получают две или более точки данных температуры и вязкости для конкретной текучей среды потока (т.е. конкретной эталонной текучей среды потока). Следует понимать, что при необходимости могут использоваться более двух точек данных температуры и вязкости, поскольку большее число точек данных может увеличить достоверность или точность результирующей кривой. Упомянутые две или более точки данных температуры и вязкости получают при различных температурах текучей среды потока. Предпочтительно упомянутые две или более точки данных температуры и вязкости получают при значительно различающихся температурах текучей среды потока. Следует понимать, что эталонные текучие среды не обязательно должны быть такими же, как и поток текучей среды, измеряемый при фактической работе.
На этапе 502 определяется, остались ли потоки текучей среды, подлежащие получению характеристик. С целью получения данных отношения температуры и вязкости осуществляется получение характеристик по меньшей мере двух текучих сред потока. Если остается получить характеристики большего числа текучих сред потока, способ возвращается на этап 502, и осуществляется получение характеристик следующей текучей среды потока. В противном случае способ переходит на этап 504.
На этапе 503 точки данных о температуре и вязкости для двух или более текучих сред потока обрабатываются с целью формирования двух соответствующих кривых эталонных текучих сред потока. Кривая эталонной текучей среды потока формируется для каждой эталонной текучей среды. Получение характеристик большого числа эталонных текучих сред потока и построение большого числа кривых эталонных текучих сред потока, как правило, дает более качественный и более точный результат.
Подходящий метод подбора аппроксимирующей кривой может использоваться для формирования характерной кривой для каждой эталонной текучей среды потока с использованием двух или более получаемых точек данных о температуре и вязкости. Метод подбора аппроксимирующей кривой может применяться к точкам данных о температуре и вязкости для каждой эталонной текучей среды потока с целью формирования соответствующей кривой эталонной текучей среды потока. Этот процесс повторяется для каждого эталонной текучей среды потока с целью формирования двух или более кривых эталонной текучей среды потока.
Фиг. 6 представляет собой график множества эталонных кривых текучей среды потока, который могут использоваться для формирования данных отношения температуры и вязкости. В этом примере кривые эталонной текучей среды потока изображены для шести эталонных текучих сред потока. Множество кривых эталонной текучей среды потока может включать в себя кривые, формируемые, например, с использованием вышеописанной итерации этапов 501 и 502. Каждая из кривых отражает значение вязкости в сантистоксах (сСт) в некотором диапазоне температур для конкретной текучей среды потока. Диапазон температур на графике составляет от 30 до 100 градусов Цельсия, но следует понимать, что могут использоваться и другие диапазоны температур.
В соответствии с фиг. 5, на этапе 504 определяется требуемый порядок полинома, причем данные отношения температуры и вязкости должны содержать полиномиальное уравнение отношения температуры и вязкости. Порядок может включать в себя число, которое на единицу меньше, чем число N эталонных текучих сред потока, т.е. порядок полинома может варьироваться от единицы до (N-1). Выбранный порядок полинома может запоминаться для последующего использования при формировании характерной кривой (т.е. формировании данных отношения температуры и вязкости).
В некоторых вариантах осуществления порядок полинома может выбираться разработчиком расходомера. В соответствии с другим вариантом, в других вариантах осуществления порядок полинома может выбираться техником или оператором расходомера, причем техник или оператор может обладать знаниями и/или опытом для осуществления правильного выбора. Еще в одном варианте разработчик расходомера может выбирать порядок полинома (т.е. задаваемый по умолчанию порядок полинома, а техник или оператор может изменять порядок, например, исходя из полевой точности вибрационного датчика 5 или требуемой точности.
Порядок полиномиального уравнения может быть связан с числом текучих сред потока, используемых в качестве эталонных, но порядок полинома не обязательно является таким же, как число эталонных текучих сред потока. В тех случаях, когда входные данные являются точными, аппроксимация более высоким порядком, как правило, приводит к более низким остаточным ошибкам в формируемых значениях вязкости при эталонной температуре.
Однако в некоторых вариантах осуществления набор данных может быть переопределен. В переопределенной системе система может создавать наборы уравнений, в которых имеется больше уравнений, чем неизвестных. В случае переопределенной системы процесс подбора аппроксимирующей кривой может использовать аппроксимацию более низкого порядка, чем математически возможно, с цель минимизации затухающих колебаний или иных артефактов, которые могут возникать при использовании процесса аппроксимации более высокого порядка. В качестве альтернативы или дополнения, с целью уменьшения требуемого времени обработки может выбираться более низкий порядок.
Метод наименьших квадратов является стандартным подходом к приближенному решению переопределенных систем. Решение методом наименьших квадратов минимизирует сумму квадратов ошибок, сделанных в результате каждого отдельного уравнения.
В некоторых вариантах осуществления разработчик расходомера устанавливает задаваемый по умолчанию порядок полинома. Последующее полиномиальное уравнение (или эквивалентная структура данных) программируется в вибрационный датчик 5. Однако в некоторых вариантах осуществления пользователь может изменять задаваемый по умолчанию порядок полинома, например, исходя из точности результатов.
Фиг. 7 представляет собой структурную схему 700 способа получения вязкости текучей среды потока при заданной эталонной температуре в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. На этапе 701 измеряется температура текучей среды для рассматриваемой текучей среды потока. Температура жидкости может быть измерена непосредственно или получена косвенно. Измерение температуры жидкости может представлять собой измерение температуры, получаемое из расходомерной трубки или иной структуры или компонента вибрационного датчика или иного датчика. В соответствии с другим вариантом, результат измерения температуры может быть получен из источника, являющегося внешним по отношению к вибрационному датчику 5.
На этапе 702 измеряется вязкость жидкости для рассматриваемой текучей среды потока. Вязкость жидкости может быть измерена непосредственно или получена косвенно, как указано выше. Измерение вязкости текучей среды включает в себя измеренную вязкость текучей среды потока при измеренной температуре.
Измерение вязкости может осуществляться любым способом. В некоторых вариантах осуществления результат измерения вязкости обеспечивается с использованием по меньшей мере вибрационного датчика 5, например, вибрационного камертонного датчика или вибрационного канального датчика. Вибрационный датчик 5 может определять вязкость текучей среды потока в отдельности или может определять вязкость текучей среды потока одновременно с другими измерительными устройствами и другими измерениями.
Измерение вязкости, выполняемое с использованием вибрационного расходомера, описано в патенте США № 5,661,232 Ван Клеве с соавторами и полностью включено в настоящий документ путем ссылки на него. В данной конструкции два массовых расходомера Кориолиса используются для измерения двух различных частей потока, имеющих различные сопротивления потоку текучей среды. Эти два измерительных прибора измеряют скорости потока для двух потоков вместе с измерением двух массовых расходов и двух плотностей. Вязкость текучей среды потока может быть получена по скоростям потока текучей среды, массовым расходам потока текучей среды и плотностям текучей среды.
На этапе 703 полиномиальное уравнение заданного порядка формируется по набору двух или более кривых эталонной текучей среды потока. Полиномиальное уравнение может представлять собой нелинейное уравнение, которое более точно аппроксимирует данные выборки. Все кривые текучей среды потока в наборе из двух или более кривых текучей среды потока используются для формирования полиномиального уравнения, даже в тех случаях, когда для полиномиального уравнения выбирается относительно низкий порядок. Результирующее полиномиальное уравнение включает в себя характерную кривую, т.е. характерная кривая включает в себя данные отношения температуры и вязкости. Данные отношения температуры и вязкости связывают вязкость при измеренной температуре с вязкостью при заданной эталонной температуре.
Этот этап может включать в себя запрос, обращение или иное получение заданной эталонной температуры. Эталонная температура может представлять собой заданную по умолчанию или стандартную температуру, которая программируется в вибрационном датчике 5 и хранится им или хранится измерительным электронным устройством 20. В соответствии с другим вариантом, эталонная температура может вводиться в вибрационный датчик 5 или измерительное электронное устройство 20 согласно потребности техника или оператора.
Данные отношения температуры и вязкости могут включать в себя любые подходящие данные об отношении. Данные отношения температуры и вязкости могут быть получены в любой подходящей форме.
В некоторых вариантах осуществления данные отношения температуры и вязкости могут включать в себя полиномиальное уравнение, причем результаты измерения температуры и результаты измерения вязкости могут являться входными данными для полиномиального уравнения. Полиномиальное уравнение выдает вязкость при эталонной температуре для заданной эталонной температуры.
Подходящий метод подбора аппроксимирующей кривой может использоваться для формирования характерной кривой по набору двух или более кривых текучей среды потока. В некоторых вариантах осуществления для формирования характерной кривой может использоваться метод подбора аппроксимирующей кривой с использованием полиномиальной регрессии.
В соответствии с другим вариантом, данные отношения температуры и вязкости могут быть преобразованы в соответствующую цифровую структуру данных, причем данные отношения температуры и вязкости могут храниться и быть доступной в цифровой форме. Цифровая структура данных может храниться в компьютере или ином цифровом устройстве и при необходимости может быть доступна. Цифровая структура данных, сохраняющая данные отношения температуры и вязкости, может принимать входные данные измеренной вязкости и может затем формировать и выдавать значение вязкости при эталонной температуре. Такая цифровая структура данных может по существу дублировать назначение полиномиального уравнения, причем значение измеренной вязкости может вводиться, например, в таблицу, при этом таблица выдает значение вязкости для эталонной температуры.
Использование цифровой структуры данных для формирования выходных данных вязкости при эталонной температуре может включать в себя интерполяцию между сохраненными точками данных, причем выдаваемое значение попадает в границы или диапазон сохраненных точек данных. Использование цифровой структуры данных для формирования выходных данных вязкости при эталонной температуре может включать в себя экстраполяцию между сохраненными точками данных, причем выдаваемое значение выходит за пределы или находится вне сохраненных точек данных.
Данные отношения температуры и вязкости могут формироваться в любое подходящее время. Формирование данных отношения температуры и вязкости может зависеть от условий текучей среды потока и/или условий вибрационного датчика. Данные отношения температуры и вязкости могут формироваться по мере необходимости, причем вибрационный датчик может обрабатывать две или более кривых эталонной текучей среды потока и формировать данные отношения температуры и вязкости с использованием заданного порядка полинома. Данные отношения температуры и вязкости могут формироваться перед функционированием вибрационного датчика или перед возникновением необходимости в данных отношения температуры и вязкости. Данные отношения температуры и вязкости могут формироваться в тех случаях, когда измеренная температура текучей среды изменяется, либо в тех случаях, когда измеренная температура текучей среды изменяется значительно (т.е. если измеренная температура текучей среды отклоняется от предполагаемой измеренной температуры в данных отношения температуры и вязкости более чем на заданную величину). В соответствии с другим вариантом, характерная кривая может формироваться, повторно формироваться или уточняться по мере необходимости.
На этапе 704 вязкость при эталонной температуре формируется с использованием данных отношения температуры и вязкости. Измеренная вязкость текучей среды вводится в данные отношения температуры и вязкости. Вязкость при эталонной температуре (т.е. значение вязкости для текучей среды потока, если текучая среды потока находилась при эталонной температуре) при этом формируется с использованием данных отношения температуры и вязкости.
Вязкость при эталонной температуре может использоваться для определения качества текучей среды потока. Вязкость при эталонной температуре может использоваться для определения чистоты текучей среды потока.
На фиг. 8 изображен пример подбора аппроксимирующей кривой вязкости при двух различных температурах. Вертикальная ось характеризует вязкость текучей среды в сантистоксах при температуре текучей среды 80 градусов Цельсия. Вертикальная ось характеризует вязкость текучей среды в сантистоксах при температуре текучей среды 50 градусов Цельсия.
В данном примере измеренная рабочая температура составляет 50 градусов, а требуемая эталонная температура, при которой необходимо вычислять вязкость, оставляет 80 градусов (т.е. заданная эталонная температура оставляет 80 градусов Цельсия).
Путем анализа вязкости эталонных текучих сред с первой по шестую установлено, что уравнение третьего порядка может наилучшим образом аппроксимировать данные (т.е. заданный порядок полинома равен трем):
3
2
1
0
3
2
y=ax+ax+ax+a (1)
0
1
2
3
В этом примере член х является входным значением, т.е. измеренной вязкостью при 50 градусах Цельсия. Напротив, член y является выходным значением и представляет собой вязкость при эталонной температуре для эталонной температуры 80 градусах Цельсия. Член y является неизвестной величиной, которая будет получена для использования уравнения для формирования вязкости при эталонной температуре. В этом примере член a равен +6,0863, член a равен +0,2307, член a равен -0,0002, член a равен +7Е-08.
Во время эксплуатации процесс принимает сигналы, указывающие на вязкость, от вибродатчика. Сигналы при этом используются для вычисления вязкости рабочей текучей среды обычным образом. Вычисленная вязкость при измеренной температуре при этом вводится в Уравнение (1) как член х, при этом Уравнение (1) формируется для связывания измеренной температуры жидкости с заданной эталонной температурой. Уравнение (1) решается относительно члена y, который является значением вязкости при заданной эталонной температуре 80 градусов Цельсия.
Измерительное электронное устройство и способ получения вязкости текучей среды потока при заданной эталонной температуре в соответствии с изобретением могут использоваться в соответствии с любым из вариантов осуществления с целью обеспечения при необходимости нескольких преимуществ.
Предпочтительно для измерения вязкости при различных температурах необходим лишь один вискозиметр. Использование одного вискозиметра обеспечивает более простой монтаж. Один вискозиметр обеспечивает более быстрые отклики на измерения. Один вискозиметр обеспечивает более широкий применимый диапазон вязкостей текучей среды.
Предпочтительно отсутствует конкретное ограничение на применение данного способа в отношении диапазона вязкости или характеристик рабочих текучих сред. В частности, измерительное электронное устройство и способ могут включать в себя текучие среды помимо нефтяного масла или смесей жидких углеводородов, для которых стандарт ASTM имеет больше ограничений.
Предпочтительно вычисление вязкости является более точным, чем в других системах. Нелинейные уравнения точнее аппроксимируют данные выборки и используются для определения вязкости при других температурах.
Результирующее измерение вязкости при эталонной температуре может обеспечивать более точное измерение свойств текучей среды, даже если эти свойства варьируются в партии. Результирующее измерение вязкости при эталонной температуре может обеспечивать значение вязкости, являющееся независимым от окружающей температуры. Результирующее измерение вязкости при эталонной температуре может обеспечивать значение вязкости, являющееся по существу стандартизованным.
Подробное описание вышеприведенных вариантов осуществления не является исчерпывающим описанием всех вариантов осуществления, предполагаемых авторами изобретения как находящиеся в пределах объема изобретения. В действительности специалистам будет понятно, что некоторые элементы вышеописанных вариантов осуществления могут быть различным образом объединены или исключены для создания дополнительных вариантов осуществления, при этом такие дополнительные варианты осуществления находятся в пределах объема и сущности изобретения. Специалистам будет также ясно, что вышеописанные варианты осуществления могут быть полностью или частично объединены или исключены для создания дополнительных вариантов осуществления в пределах объема и сущности изобретения. В связи с этим, объем изобретения должен определяться по нижеследующей формуле изобретения.