РАСХОДОМЕР
FLOW METER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области расходомеров. Более конкретно, изобретение описывает варианты осуществления расходомера.
Уровень техники
После извлечения углеводородов (например, сырой нефти, природного газа) из подземных пластов текучая среда транспортируется по трубопроводам. Желательно иметь возможность точно измерять количество транспортируемой текучей среды; особенно важна точность изменений при передаче текучей среды в собственность другого владельца ("поставке потребителю"). Ультразвуковые расходомеры могут применяться для измерения потока текучей среды, протекающей через трубопровод, обеспечивая достаточную точность, требуемую при поставке потребителю.
Стоимость газа, переходящего в собственность другого владельца в пункте передачи, для газопроводов большой пропускной способности может составлять более миллиона долларов в день. Поэтому в некоторых пунктах передачи два независимых ультразвуковых расходомера размещает в одном корпусе. Использование двух расходомеров позволяет уменьшить ошибки измерений в тех случаях, когда один из расходомеров функционирует неправильно или отказывает, а если в пункте передачи работают оба расходомера, то точность измерений может проверяться путем сравнения данных от двух независимых измерений. Однако в некоторых ситуациях показания расходомеров могут быть различными, даже если каждый из них работает правильно.
Раскрытие изобретения
Упомянутые выше проблемы, присущие уровню техники, по крайней мере частично, решаются путем применения соответствующей конструкции расходомера и способа двойного измерения расхода.
Настоящее изобретение в одном из своих вариантов описывает расходомер, включающий соединительный патрубок, определяющий центральный канал, первую группу пар преобразователей, установленных на соединительном патрубке, в которой каждая пара преобразователей определяет хорду, пересекающую центральный канал, и выполнена с возможностью генерации и приема акустических сигналов, распространяющихся вдоль соответствующих хорд, при этом по меньшей мере две хорды первой группы пар преобразователей не компланарны, вторую группу пар преобразователей, установленных на соединительном патрубке, в которой каждая пара преобразователей определяет хорду, пересекающую центральный канал, и выполнена с возможностью генерации и приема акустических сигналов, распространяющихся вдоль соответствующих хорд, при этом по меньшей мере две хорды второй группы пар преобразователей не компланарны, и электронную схему, электрически связанную с первой и второй группами пар преобразователей и выполненную с возможностью определения первого значения расхода текучей среды, проходящей через центральный канал, посредством сигналов первой группы пар преобразователей и определения второго значения расхода текучей среды, проходящей через центральный канал, посредством сигналов второй группы пар преобразователей.
Первая группа преобразователей дополнительно может содержать пару преобразователей, определяющих первую хорду, пересекающую центральный канал на первом уровне центрального канала, пару преобразователей, определяющих вторую хорду, пересекающую центральный канал на втором уровне центрального канала, ином, чем первый уровень, а вторая группа преобразователей дополнительно может содержать пару преобразователей, определяющую третью хорду, пересекающую центральный канал на первом уровне, и пару преобразователей, определяющую четвертую хорду, пересекающую центральный канал на втором уровне.
Первая и третья хорды могут пересекаться в центральном канале. Первая группа пар преобразователей дополнительно может содержать первую пару преобразователей, определяющих первую хорду, пересекающую центральный канал на верхнем уровне центрального канале, вторую пару преобразователей, определяющих вторую хорду, пересекающую центральный канал на верхнем из средних уровней центрального канала, при этом вторая и первая хорды не компланарны, третью пару преобразователей, определяющих третью хорду, пересекающую центральный канал на нижнем из средних уровней центрального канала и параллельную первой хорде, и четвертую пару преобразователей, определяющих четвертую хорду, пересекающую центральный канал на нижнем уровне центрального канала и параллельную второй хорде, а вторая группа пар преобразователей дополнительно может содержать пятую пару преобразователей, определяющих пятую хорду, пересекающую центральный канал на верхнем уровне в центральном канале, шестую пару преобразователей, определяющих шестую хорду, пересекающую центральный канал на верхнем из средних уровней центрального канала, при этом пятая и шестая хорды не компланарны, седьмую пару преобразователей, определяющих седьмую хорду, пересекающую центральный канал на нижнем из средних уровней центрального канала и параллельную пятой хорде, и восьмую пару преобразователей, определяющих восьмую хорду, пересекающую центральный канал на нижнем уровне центрального канала и параллельную шестой хорде.
Кроме того, по меньшей мере одна пара хорд, выбранная из группы, включающей первую и пятую хорды, вторую и шестую хорды, третью и седьмую хорды, четвертую и восьмую хорды, может быть расположена приблизительно на одном уровне.
Также по меньшей мере две пары преобразователей, выбранные из группы, включающей первую и пятую пару преобразователей, вторую и шестую пару преобразователей, третью и седьмую пары преобразователей, четвертую и восьмую пары преобразователей, могут быть расположены приблизительно в одинаковом положении относительно оси.
Электронная схема дополнительно может содержать первый электронный блок, электрически связанный с первой группой пар преобразователей и выполненный с возможностью определения первого значения расхода текучей среды, проходящей через центральный канал, и второй электронный блок, электрически связанный со второй группой пар преобразователей и выполненный с возможностью определения второго значения расхода текучей среды, проходящей через центральный канал, при этом первый электронный блок может быть выполнен с возможностью продолжения работы при отказе второго электронного блока.
Также настоящее изобретение описывает способ двойного измерения расхода, включающий определение первого значения расхода текучей среды, проходящей через центральный канал корпуса расходомера, посредством первой группы пар преобразователей, каждая из которых определяет хорду, при этом по меньшей мере две хорды не компланарны, и по существу одновременное определение второго значения расхода текучей среды, проходящей через центральный канал корпуса расходомера, посредством второй группы пар преобразователей, каждая из которых определяет хорду, при этом по меньшей мере две хорды не компланарны.
Определение первого значения расхода текучей среды дополнительно могут осуществлять посредством четырех пар преобразователей, при этом две пары преобразователей могут определять первую группу параллельных хорд, а две другие пары преобразователей определять вторую группу параллельных хорд, не компланарных первой.
Определение второго значения расхода текучей среды дополнительно могут осуществлять посредством четырех пар преобразователей, при этом две пары преобразователей могут определять третью группу параллельных хорд, а две другие пары преобразователей определять четвертую группу параллельных хорд, не компланарных третьей.
Определение первого значения расхода текучей среды дополнительно могут осуществлять посредством первого электронного блока расходомера, а определение второго значения расхода текучей среды дополнительно могут осуществлять посредством второго электронного блока расходомера иного, чем первый электронный блок.
Еще один вариант настоящего изобретения описывает расходомер, включающий корпус, определяющий центральный канал, первую группу пар преобразователей, установленную на корпусе и содержащую первую пару преобразователей, определяющих первую хорду, пересекающую центральный канал на верхнем уровне центрального канала, вторую пару преобразователей, определяющих вторую хорду, пересекающую центральный канал на верхнем из средних уровней центрального канала, при этом вторая и первая хорды не компланарны, третью пару преобразователей, определяющих третью хорду, пересекающую центральный канал на нижнем из средних уровней центрального канала и параллельную первой хорде, и четвертую пару преобразователей, определяющих четвертую хорду, пересекающую центральный канал на нижнем уровне центрального канала и параллельную второй хорде, первое запоминающее устройство, снабженное программным блоком, первый процессор, электрически связанный с первой группой пар преобразователей и первым запоминающим устройством и выполненный с возможностью определения первого значения расхода потока текучей среды через центральный канал посредством сигналов, полученных первой группой пар преобразователей, вторую группу пар преобразователей, механически связанных с корпусом расходомера и содержащих пятую пару преобразователей, определяющих пятую хорду, пересекающую центральный канал на верхнем уровне центрального канала, шестую пару преобразователей, определяющих шестую хорду, пересекающую центральный канал на верхнем из средних уровней центрального канала, при этом пятая хорда и шестая хорда не компланарны, седьмую пару преобразователей, определяющих седьмую хорду, пересекающую центральный канал на нижнем из средних уровней центрального канала и параллельную пятой хорде, и восьмую пару преобразователей, определяющих восьмую хорду, пересекающую центральный канал на нижнем уровне центрального канала и параллельную шестой хорде, второе запоминающее устройство, снабженное программным блоком, второй процессор, электрически связанный со второй группой пар преобразователей и вторым запоминающим устройством и выполненный с возможностью определения второго значения расхода потока текучей среды через центральный канал посредством сигналов, полученных второй группой пар преобразователей, при этом второй процессор и вторая группа пар преобразователей выполнены с возможностью продолжения работы и определения второго значения расхода потока текучей среды через центральный канал при отказе первого процессора или любой из пар преобразователей первой группы.
По меньшей мере одна пара хорд, выбранная из группы, включающей первую и пятую хорды, вторую и шестую хорды, третью и седьмую хорды, четвертую и восьмую хорды, может быть расположена приблизительно на одном уровне.
Также по меньшей мере две пары преобразователей, выбранные из группы, включающей первую и пятую пары преобразователей, вторую и шестую пары преобразователей, третью и седьмую пары преобразователей, четвертую и восьмую пары преобразователей, могут быть расположены приблизительно в одинаковом положении относительно оси.
Дополнительно первая и пятая хорды могут пересекаться внутри центрального канала.
Краткое описание чертежей
При подробном описании вариантов, иллюстрирующих изобретение, будут использоваться ссылки на следующие сопровождающие чертежи:
На фиг.1 представлен общий вид расходомера, соответствующего по меньшей мере вариантам осуществления изобретения;
На фиг.2 представлен вид сверху, в частичном разрезе, расходомера, соответствующего по меньшей мере вариантам осуществления изобретения;
На фиг.3 представлен вид с торца в разрезе расходомера, относящийся к первой измерительной подсистеме, соответствующей по меньшей мере вариантам осуществления изобретения;
На фиг.4 представлен вид сверху в разрезе расходомера, соответствующего по меньшей мере вариантам осуществления изобретения;
На фиг.5 представлен вид сверху расходомера, относящийся к первой измерительной подсистеме, в соответствии по меньшей мере с вариантами осуществления изобретения;
На фиг.6 представлен вид с торца в разрезе расходомера, относящийся ко второй измерительной подсистеме, в соответствии по меньшей мере с вариантами осуществления изобретения;
На фиг.7 представлен вид сверху расходомера, относящийся ко второй измерительной подсистеме, в соответствии по меньшей мере с вариантами осуществления изобретения;
На фиг.8 представлен вид сверху расходомера, в соответствии по меньшей мере с вариантами осуществления изобретения;
На фиг.9 представлен вид сверху расходомера, в соответствии с альтернативными вариантами осуществления изобретения;
На фиг.10 представлена электронная схема расходомера, в соответствии по меньшей мере с вариантами осуществления изобретения;
На фиг.11 представлена электронная схема расходомера, в соответствии с альтернативными вариантами осуществления изобретения; и
На фиг.12 представлен алгоритм данного способа, в соответствии по меньшей мере с вариантами осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Некоторые термины используются далее в описании и формуле изобретения для обозначения конкретных компонент системы. Как известно специалистам в данной области, различные компании, производящие расходомеры, могут ссылаться на одинаковые компоненты, используя различные термины. В данном документе компоненты, отличающиеся по наименованию, но не по функциям, различаться не будут.
В следующем далее обсуждении и в формуле изобретения термины "включает" и "содержит" используются не в ограничительном смысле и поэтому должны пониматься как означающие: "включает, но перечень не является ограничительным". Кроме того, термины "соединен" и "связан" означают как непосредственные, так и опосредованные соединения или связи. Так, если указано, что первое устройство соединено со вторым, то соединение может быть как непосредственным, так и опосредованным, через другие устройства и соединения.
Термин "не компланарны" в отношении нескольких пар преобразователей (или хорд, соответствующий парам преобразователей) означает, что пары преобразователей (или соответствующие им хорды) не лежат в одной плоскости.
Термин "соединительный патрубок" и/или "корпус расходомера" относится к детали, изготовленной из одной литой заготовки. Соединительный патрубок и/или корпус расходомера, состоящие из деталей, полученных из отдельных литых заготовок и затем соединенных вместе (например, с помощью фланцевого соединения или сварки), не будут в описании и формуле изобретения называться "соединительным патрубком" или "корпусом расходомера".
Термин "положение относительно оси" применительно к паре преобразователей (или соответствующей хорде) относится к положению верхнего (относительно направления потока) преобразователя относительно оси центрального канала. Таким образом, две пары преобразователей могут иметь одинаковое положение относительно оси, но находиться на противоположных сторонах соединительного патрубка.
Следующее далее описание относится к различным вариантам изобретения. Хотя предпочтительными могут быть один вариант или несколько вариантов, раскрытые варианты не должны интерпретироваться или иным образом использоваться как ограничивающие область, охватываемую раскрытием изобретения, включая формулу изобретения. Заметим, далее, что приведенные здесь различные варианты разрабатывались с целью измерения расхода углеводородов (например, сырой нефти, природного газа), и описание опирается на этот контекст. Но описанные устройства и способы равным образом применимы и для измерения расхода других текучих сред (например, сжиженных при низких температурах газов или воды).
На фиг.1 представлен расходомер 100, включающий достаточное число пар преобразователей для измерений расхода с некоторой избыточностью. В частности, корпус расходомера, или соединительный патрубок 102 установлены между секциями трубопровода, например, с помощью фланцев 104 (104А, 104В). Соединительный патрубок 102 имеет заранее заданные размеры и определяет центральный канал 106, через который проходит поток текучей среды, расход которого измеряется. Расходомер 100 дополнительно включает группу пар преобразователей. На фиг.1, где показан вид расходомера в перспективе, виден только один преобразователь каждой из восьми взятых для иллюстрации пар преобразователей. В частности, преобразователь 108А, находящийся в выступе 110 корпуса, является парным для преобразователя (не показан), находящегося в выступе 112 корпуса. Аналогично, остальные преобразователи, находящиеся в выступе 110 корпуса, являются парными для преобразователей (не показаны), находящихся в выступе 112 корпуса. Аналогично, преобразователь 114В, находящийся в выступе 116 корпуса, является парным для преобразователя (не показан), находящегося в выступе 118 корпуса. Аналогично, остальные преобразователи, находящиеся в выступе 116 корпуса, являются парными для преобразователей (не показаны), находящихся в выступе 118 корпуса.
На фиг.2 представлен вид сверху, в частичном разрезе, системы, показанной на фиг.1. В частности, на фиг.2 показана в качестве примера пара преобразователей 108А и 108В, разнесенных по длине соединительного патрубка 102. Преобразователи 108А и 108В являются акустическими приемопередатчиками и, более конкретно, ультразвуковыми приемопередатчиками, то есть, они могут как посылать, так и принимать акустические сигналы на частотах, превышающих приблизительно 20 кГц. Акустическая энергия генерируется и воспринимается пьезоэлементом, который имеется в каждом из преобразователей. Для генерации акустического сигнала на пьезоэлемент подается синусоидальный электрический сигнал, возбуждающий колебания пьезоэлемента. При вибрации пьезоэлемента генерируется акустический сигнал, распространяющийся в центральном канале 106 через текучую среду, расход которого измеряется, и достигающий парного ему преобразователя данной пары преобразователей. Симметрично описанному процессу, в принимающем пьезоэлектрическом элементе, на который воздействует акустическая энергия (то есть, энергия акустического сигнала и шумов), возбуждаются колебания и генерируется электрический сигнал, который воспринимается, преобразуется в цифровую форму и анализируется электронными схемами, связанными с расходомером.
Отрезок 120 между выбранными в качестве примера преобразователями 108А и 108В, называемый также хордой, направлен под некоторым углом θ к оси 122. Длина хорды 120 равна расстоянию между фронтальной поверхностью преобразователя 108А и фронтальной поверхностью преобразователя 108В. Текучая среда (например, сырая нефть, природный газ, сжиженный природный газ) протекает в направлении, показанном стрелкой 150. Сначала расположенный ниже по потоку текучей среды (далее - "нижний") преобразователь 108В генерирует акустический сигнал, распространяющийся по протекающей через соединительный патрубок 102 текучей среде к расположенному выше по потоку (далее - "верхнему") преобразователю 108А и достигающий его. Через некоторое время (например, несколько миллисекунд) верхний преобразователь 108А генерирует ответный акустический сигнал, распространяющийся в обратном направлении к нижнему преобразователю 108В и достигающий его. Таким образом, обмен ультразвуковыми сигналами между взятыми для примера преобразователями 108А и 108В вдоль хорды 120 можно сравнить с подачей бейсбольного мяча и его захватом ловушкой. При функционировании расходомера описанная последовательность событий может повторяться тысячи раз в минуту.
Время распространения ультразвукового сигнала между преобразователями 108А и 108В зависит, в частности, от направления распространения акустического сигнала, то есть, направления "по потоку" или "против потока". Время распространения акустического сигнала по потоку (то есть, в направлении потока текучей среды, показанном стрелкой 150) меньше, чем время распространения против потока (в направлении, противоположном показанному стрелкой 150). Значения времени распространения сигнала по потоку и против потока могут использоваться для определения средней скорости текучей среды в некоторой области, окружающей данную хорду, а также для определения скорости звука в текучей среде, расход которой измеряется.
В соответствии с различными вариантами, расходомер 100 выполняет два раздельных и независимых измерения расхода текучей среды с помощью преобразователей, находящихся в одном соединительном патрубке. В частности, четыре из восьми пар преобразователей данного примера связаны с первой измерительной подсистемой, а остальные четыре из восьми пар преобразователей связаны со второй измерительной подсистемой. В других вариантах каждая из измерительных подсистем может включать большее или меньшее число пар преобразователей, и число пар преобразователей в двух измерительных подсистемах не обязательно одинаково. Независимо от числа пар преобразователей, применяемых в каждой из измерительных подсистем, при одновременной работе обеих измерительных подсистем возможно сравнивать результаты измерений расхода и, следовательно, верифицировать измерения расхода текучей среды, проходящей через расходомер. В случаях, когда одна измерительная подсистема не действует (например, при отказе пары преобразователей), для измерения расхода все еще может использоваться вторая измерительная подсистема.
На фиг.3 показан вид с торца в разрезе одной стороны расходомера 100, относящийся к первой измерительной подсистеме. В первой измерительной подсистеме, показанной на фиг.3, имеются четыре хорды А, В, С и D, находящиеся на разных по высоте уровнях внутри соединительного патрубка 102. В частности, хорда А является верхней хордой, хорда В - верхней из средних хорд, хорда С - нижней из средних хорд, и хорда D - нижней хордой. Каждая из хорд А-D соответствует паре преобразователей, работающих поочередно в качестве передатчика и в качестве приемника. На фиг.3 также показана электронная схема 152 расходомера, содержащая электронные блоки 152А и 152В, принимающие и обрабатывающие данные, относящиеся к четырем хордам А-D, взятым для примера (а также, возможно, другие данные). Не видны на фиг.3 (скрыты фланцем) четыре пары преобразователей, соответствующих хордам А-D. На фиг.3 показано только положение по высоте четырех хорд первой измерительной подсистемы, взятой для примера, и не отражено, являются ли эти хорды параллельными, или компланарными.
В родственных устройствах, относящихся к данной области техники, в которых в одном соединительном патрубке имеются средства для независимых измерений расхода, хотя пары преобразователей могут определять хорды, лежащие на тех же уровнях, что и показанные на фиг.3, каждая хорда измерительной подсистемы лежит в одной плоскости с другими хордами измерительной подсистемы, а плоскости, соответствующие двум измерительным подсистемам, образуют Х-образную конфигурацию. Авторы раскрываемого здесь изобретения нашли, что компланарность хорд каждой измерительной подсистемы приводит в некоторых ситуациях к различиям в получаемых результатах измерений, выполняемых разными подсистемами, и эти различия нельзя отнести к ошибкам или неисправностям преобразователей или измерительных электронных схем. В частности, авторы раскрываемого изобретения установили, что поперечные составляющие потока текучей среды через центральный канал могут быть причиной различий в результатах измерений, выполняемых двумя измерительными подсистемами, даже если каждая из подсистем функционирует должным образом. Такие различия могут приводить к расхождениям в итоговых выходных данных, что может привести к излишним процедурам диагностики расходомера и попыткам устранить несуществующие неисправности.
На фиг.4 представлен вид сверху в разрезе соединительного патрубка 102 с проходящим через него потоком текучей среды, расход которой измеряется. Хотя в целом поток движется в направлении 150, в некоторых областях (например, в находящихся ниже по потоку участках L-образных или Т-образных соединений), поток текучей среды имеет тенденцию к образованию зигзагообразных линий тока в центральном канале 106, что показано линией 130. Зигзагообразный характер движения преувеличен для наглядности. В родственных разработках, относящихся к данной области, все пары преобразователей одной измерительной подсистемы параллельны и компланарны. Так, хорды, определяемые всеми парами преобразователей первой измерительной подсистемы, лежат в некоторой вертикальной плоскости, например, в вертикальной плоскости 132. Вертикальная плоскость 132 видна как прямая линия, так как на фиг.4 эта плоскость перпендикулярна плоскости изображения, и, следовательно, луч зрения для фиг.4 лежит в этой вертикальной плоскости. Все пары преобразователей второй измерительной подсистемы также лежат в одной вертикальной плоскости, например, в плоскости 134. Здесь вертикальная плоскость 134 также видна как прямая линия, так как на фиг.4 эта плоскость перпендикулярна плоскости изображения, и, следовательно, луч зрения для фиг.4 лежит в указанной вертикальной плоскости.
Если все хорды измерительной подсистемы компланарны, то результаты измерений вдоль хорд особенно чувствительны к влиянию поперечных составляющих потока текучей среды, расход которой измеряется. Например, часть потока текучей среды на участке 136 протекает по центральному каналу в вертикальной плоскости 132 приблизительно параллельно хордам первой измерительной подсистемы. Результаты измерений вдоль хорд в плоскости 132 будут показывать существенно больший поток текучей среды, чем измерения вдоль хорд второй измерительной подсистемы, лежащих в вертикальной плоскости 134, так как поток, взяты в качестве примера на фиг.3, направлен почти перпендикулярно вертикальной плоскости 134. Таким образом, хотя первая измерительная подсистема (с параллельными и компланарными хордами, лежащими в вертикальной плоскости 132) может функционировать правильно, а также и вторая измерительная подсистема (с параллельными и компланарными хордами, лежащими в вертикальной плоскости 134) может работать правильно, две указанные измерительные подсистемы могут показывать различные значения расхода текучей среды. Как и выше, направления потока относительно вертикальных плоскостей 132 и 134 показаны с преувеличением, чтобы ясно продемонстрировать, что при наличии в потоке текучей среды поперечных составляющих и компланарности хорд каждой измерительной подсистемы, поперечные составляющие потока по-разному влияют на работу двух измерительных подсистем.
На фиг.5 представлен вид сверху расходомера 100 (выступы 110, 112, 116 и 118 корпуса не показаны), иллюстрирующий взаимное расположение хорд первой измерительной подсистемы, в соответствии с различными вариантами. В частности, первая пара преобразователей 108А и 108В (которая соответствует верхней хорде А) определяет хорду, проходящую под некоторым углом θ, не являющимся прямым углом, к оси 122 соединительного патрубка 102. Другая пара преобразователей 154А и 154В (которая соответствует верхней из средних хорд, хорде В) определяет хорду, которая вместе с хордой между преобразователями 108А и 108В образует, в общих чертах, Х-образную конфигурацию; в некоторых вариантах хорда между преобразователями 154А и 154В может быть перпендикулярна хорде между преобразователями 108А и 108В. Аналогично, третья пара преобразователей 156А и 156В (которая соответствует нижней из средних хорд, хорде С) определяет хорду, параллельную хорде между преобразователями 108А, 108В, но расположенную в центральном канале ниже, чем хорда между преобразователями 108А, 108В и хорда между преобразователями 154А, 154В. Не показана явно на фиг.4, в связи с кривизной соединительного патрубка 102, взятой в качестве примера, четвертая пара 158 преобразователей (преобразователь 158 В виден на фиг.1), соответствующая нижней хорде D, определяющая хорду, параллельную хорде между портами 154А и 154В преобразователей.
Рассматривая совместно фиг.3 и 5 в отношении первой измерительной подсистемы, можно видеть, что пары преобразователей расположены таким образом, что две верхние пары преобразователей, соответствующие хордам А и В, образуют Х-образную конфигурацию, и две нижние пары преобразователей, соответствующие хордам С и D, также образуют Х-образную конфигурацию. Хорды А и В не компланарны, хорды С и D также не компланарны, хорды и А и С параллельны, и хорды В и D также параллельны. Первая измерительная подсистема определяет значения скорости газа, для каждой из областей, окружающих хорды А-D, и эти значения скорости (далее - "скорости вдоль хорд") используются совместно для определения средней скорости всего потока, проходящего через центральный канал. По значению средней скорости потока и известной площади поперечного сечения центрального канала первая измерительная схема может определить количество газа, проходящего через соединительный патрубок, и, следовательно, через трубопровод. Так как хорды первой измерительной подсистемы образуют Х-образную конфигурацию, влияние поперечного потока на результаты измерения расхода уменьшается, так как это влияние подавляется или компенсируется в результате усреднения.
Рассмотрим теперь вторую измерительную подсистему. На фиг.6 показан вид с торца в разрезе одной стороны расходомера 100, относящийся ко второй измерительной подсистеме. Измерительная подсистема на фиг.6 имеет четыре хорды Е, F, G и Н, находящиеся по высоте на разных уровнях внутри соединительного патрубка 102. Более конкретно, хорда Е является верхней хордой, хорда F - верхней из средних хорд, хорда G - нижней из средних хорд и хорда Н - нижней хордой. Каждая из хорд Е-Н соответствует паре преобразователей, работающих поочередно в качестве передатчика и в качестве приемника. На фиг.6 также показана электронная схема 152, содержащая первый электронный блок 152А и второй электронный блок 152В расходомера, которые принимают и обрабатывают данные, относящиеся к четырем хордам Е-Н, взятым в качестве примера (и возможно, другие данные). На фиг.5 не видны скрытые фланцем четыре пары преобразователей, соответствующие хордам Е-Н. В соответствии по меньшей мере с некоторыми вариантами, хорды Е-Н находятся на тех же уровнях, что и хорды А-D соответственно, но в других вариантах некоторые из хорд Е-Н или все эти хорды могут быть расположены на уровнях, отличных от уровней, на которых расположены хорды А-D. Кроме того, на фиг.6 видны уровни, на которых расположены четыре взятых в качестве примера хорды второй измерительной подсистемы, но не показано, являются ли хорды параллельными, или компланарными.
На фиг.7 представлен вид сверху расходомера 100 (выступы 110, 112, 116 и 118 корпуса не показаны), иллюстрирующий другой аспект взаимного расположения хорд, используемых во второй измерительной подсистеме. В частности, первая пара преобразователей 114А и 114В (которая соответствует верхней хорде Е) определяет хорду, проходящую под некоторым углом θ, не являющимся прямым, к оси 122 соединительного патрубка 102. Другая пара преобразователей 160А и 160В (которая соответствует верхней из средних хорд, хорде F) определяет хорду, которая вместе с хордой, проходящей между преобразователями 114А и 114В, образует, в общих чертах, Х-образную конфигурацию. Аналогично, третья пара преобразователей 162А и 162В (которая соответствует нижней из средних хорд, хорде G) определяет хорду, параллельную хорде между преобразователями 114А и 114В, но лежащую в центральном канале ниже хорды между преобразователями 114А и 114В и ниже хорды между преобразователями 160А и 160В. Не видна на фиг.6 из-за кривизны взятого в качестве примера соединительного патрубка 102 четвертая пара 164 преобразователей (преобразователь 164А показан на фиг.1), соответствующая нижней хорде Н и определяющая хорду, параллельную хорде между портами 160А и 160В преобразователей.
Рассматривая совместно фиг.6 и 7 в отношении второй измерительной подсистемы, можно видеть, что пары преобразователей расположены так, что две верхние пары преобразователей, соответствующие хордам Е и F, образуют Х-образную конфигурацию, и две нижние пары преобразователей, соответствующие хордам G и Н, также образуют Х-образную конфигурацию. Хорды Е и F не компланарны, хорды G и Н также не компланарны, хорды Е и G параллельны, и хорды F и Н также параллельны. Вторая измерительная подсистема определяет значения скорости потока газа для каждой из областей, окружающих хорды Е-Н, с целью определения скоростей вдоль хорд, и полученные скорости вдоль хорд используются совместно, чтобы определить среднюю скорость всего потока, проходящего через центральный канал. По средней скорости потока и известной площади поперечного сечения центрального канала вторая измерительная схема может определить количество текучей среды, проходящей через соединительный патрубок, и, следовательно, через трубопровод.
На фиг.5 и 7 показаны только преобразователи, связанные с описываемой измерительной подсистемой. На фиг.8 представлен вид сверху расходомера 100 (выступы 110, 112, 116 и 118 корпуса не показаны), иллюстрирующий взаимное расположение по меньшей мере некоторых пар преобразователей первой измерительной подсистемы, в соответствии по меньшей мере с некоторыми вариантами. В частности, первая измерительная подсистема включает пару преобразователей 108А и 108В, пару преобразователей 154А и 154В и две другие пары, которые не видны на фиг.8. Вторая измерительная подсистема включает пару преобразователей 114А и 114В, пару преобразователей 160А и 160В и две других пары, которые не видны на фиг.8. Таким образом, в вариантах, показанных на фиг.8, пары преобразователей, соответствующие верхним хордам (хорде А для первой измерительной подсистемы и хорде Е для второй измерительной подсистемы), занимают одинаковое положение относительно оси соединительного патрубка 102. Аналогично, пары преобразователей, соответствующие верхним из средних хорд (хорде В для первой измерительной подсистемы и хорде F для второй измерительной подсистемы), занимают одинаковое положение относительно оси соединительного патрубка 102. По меньшей мере в некоторых вариантах, в которых положение относительно оси пар преобразователей, в основном, такое же, и в которых хорды находятся на соответствующих уровнях (например, хорды А и Е), одна или несколько хорд одной измерительной подсистемы могут пересекаться в центральном канале с одной или несколькими хордами другой измерительной подсистемы.
На фиг.9 представлен вид сверху расходомера 100 (выступы 110, 112, 116 и 118 не показаны), иллюстрирующий взаимное расположение пар преобразователей, в соответствии с различными альтернативными вариантами. В частности, в вариантах, представленных на фиг.9, соответствующие хорды двух измерительных подсистем (например, хорды В и F) могут лежать на одном уровне (по высоте) в центральном канале, но пары преобразователей двух измерительных подсистем могут находиться в различных положениях относительно оси. Например, пара преобразователей 108А и 108В (соответствующая хорде А) расположена в соединительном патрубке 102 в некотором аксиальном положении в направлении выше по потоку от пары преобразователей 114А и 114В (соответствующая хорде Е). Тоже верно для других пар преобразователей, показанных на фиг.9. Кроме того, фиг.9 показывает, что соответствующие пары преобразователей не обязательно находятся на противоположных сторонах соединительного патрубка 102. Рассмотрим снова пару преобразователей 108А, 108В и пару преобразователей 114А, 114В. Преобразователи 108А и 114А, расположенные выше по потоку, как видно, находятся на одной и той же стороне соединительного патрубка 102, тогда как в ранее обсуждавшихся вариантах преобразователи находились на противоположных сторонах соединительного патрубка 102.
Далее описание переходит к электронным схемам расходомера. В соответствии с некоторыми вариантами, каждая измерительная подсистема имеет отдельную независимую управляющую электронную схему. Вернемся ненадолго к фиг.3 и 6, на которых вся электронная схема 152 расходомера показана как состоящая из двух отдельных управляющих электронных блоков 152А и 152В. На фиг.10 показан управляющий первый электронный блок 152А, который связан с одной измерительной подсистемой. Следует помнить, однако, что в вариантах, в которых каждая измерительная подсистема имеет отдельный независимый электронный блок, описание, ссылающееся на фиг.10, одинаково применимо к управляющим электронным схемам каждой измерительной подсистемы. Управляющий электронный блок 152А может быть расположен внутри корпуса электроники, который может быть присоединен к соединительному патрубку 102. Альтернативно, корпус электроники, в котором находится управляющий электронный блок 152А, может быть с тем же результатом установлен вблизи соединительного патрубка (то есть, на расстоянии нескольких футов). Управляющий электронный блок 152А включает процессор 202, связанный с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ, или RAM) 204, постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, или ROM) 206 и коммуникационным портом (СОМ) 208. Процессор 202 является устройством, выполняющим измерения потока текучей среды через центральный канал для конкретной измерительной подсистемы. Устройство ПЗУ 206 является постоянной памятью, снабженное программным блоком для измерения потока текучей среды. ОЗУ 204 является оперативной памятью процессора 202, и перед выполнением программ некоторые программы и/или структуры данных могут копироваться из ПЗУ 206 в ОЗУ 204. В альтернативных вариантах программы и структуры данных доступны непосредственно из ПЗУ 206. Коммуникационный порт 208 является устройством, через которое расходомер связан с другими устройствами, например, с управляющей электронной схемой, соединенной с другими измерительными подсистемами расходомера, компьютерным устройством для определения расхода текучей среды, или вычислителем расхода (накапливающим данные измерений объема потока от нескольких расходомеров) и/или с схемой сбора данных. Хотя процессор 202, ОЗУ 204, ПЗУ 206 и коммуникационный порт 208 показаны как отдельные устройства, в альтернативных вариантах могут применяться микроконтроллеры, в которых интегрированы процессорное ядро, ОЗУ, ПЗУ и коммуникационные порты.
Процессор 202, кроме того, связан с рядом устройств и управляет их работой с целью передачи и приема акустических сигналов при их пропускании через текучую среду, расход которой измеряется. В частности, процессор 202 связан с возбудителем 210 преобразователей, приемником 212 и двумя мультиплексорами 214 и 216 через шины 218 и 220 управления, соответственно. В некоторых вариантах возбудитель 210 преобразователей включает схему генератора и схему усилителя. В вариантах, в которых возбудитель 210 преобразователей имеет встроенный генератор, возбудитель 210 преобразователей генерирует исходный сигнал, усиливает сигнал до мощности, достаточной для управления преобразователями, и обеспечивает согласование сопротивлений относительно преобразователей. В других вариантах возбудитель 210 преобразователей получает сигнал переменного тока желательной частоты от процессора 202, усиливает сигнал и обеспечивает согласование сопротивлений относительно преобразователей. Приемник 212 также может быть реализован во многих формах. В некоторых вариантах приемник 212 является аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который принимает аналоговый волновой сигнал, генерируемый преобразователем благодаря полученной акустической энергии, и преобразует сигнал в цифровую форму. В некоторых случаях приемник 212 может фильтровать и/или усиливать сигналы до или после их преобразования в цифровую форму. Цифровая версия полученного сигнала может затем передаваться процессору 202 для расчета потока текучей среды.
Процессор 202, снабженный программным блоком, выборочно управляет мультиплексорами 214 и 216, обеспечивая связь каждого преобразователя каждой пары преобразователей с возбудителем 210 преобразователей (для управления преобразователями с целью генерации акустических сигналов) и с приемником 212 (для приема электрического сигнала, генерируемого преобразователем при воздействии на него акустической энергии). В некоторых вариантах процессор 202 в период измерений (например, в течение одной секунды) управляет каждой парой преобразователей таким образом, чтобы обеспечить передачу приблизительно 30 акустических сигналов, распространяющихся в направлении против потока, и 30 акустических сигналов, распространяющихся в направлении по потоку. Для каждой пары преобразователей могут с аналогичными результатами использоваться большее или меньшее число акустических сигналов, распространяющихся в направлениях по потоку и против потока, и большая или меньшая длительность периодов измерений.
По-прежнему обращаясь к фиг.10, сосредоточимся на паре преобразователей 108А и 108В как представителе всех пар преобразователей. Для целей данного обсуждения предположим, что преобразователь 108А работает как передатчик, а преобразователь 108В - как приемник; однако при реальном функционировании они могут поочередно меняться ролями. Под управлением процессора 202 осуществляется связь возбудителя 210 преобразователей через мультиплексоры 214 и 216 с преобразователем 108А. Электрический сигнал, генерируемый и/или усиливаемый возбудителем 210 преобразователей, подается на пьезоэлемент преобразователя 108А и возбуждает его колебания, и преобразователь 108А, в свою очередь, генерирует акустический сигнал. Акустический сигнал проходит через текучую среду, расход которой измеряется, от преобразователя 108А к преобразователю 108В. Для удобства на чертеже преобразователи 108А и 108В не показаны как расположенные на одной оси, но при их функционировании они, в общем, являются соосными, как показано на фиг.5. Во время распространения акустического сигнала между преобразователем 108А и преобразователем 108В процессор 202 изменяет конфигурацию мультиплексоров 214 и 216 так, чтобы установить связь между преобразователем 108В и приемником 212. На преобразователь 108В воздействует акустическая энергия (то есть, акустический сигнал и шум), и электрический сигнал, соответствующий акустической энергии, передается приемнику 212. Затем роли преобразователей, функционировавших как передатчик и приемник, меняются, и на основе разностей значений времени распространения (полученных для одного или нескольких обменов сигналами) определяется скорость потока текучей среды в области, окружающей хорду, соответствующую паре преобразователей 108А и 108В. Исходя из скорости потока текучей среды в областях, окружающих хорды, процессор 202 определяет скорость потока текучей среды в центральном канале, и, учитывая площадь поперечного сечения центрального канала, вычисляет объем текучей среды, проходящей через расходомер за период измерений. Так как управляющий электронный блок 152А связан только с парами преобразователей первой измерительной подсистемы, то электронный блок 152А вычисляет объем текучей среды или данные, дающие оценку объему текучей среды, используя только пары преобразователей первой измерительной подсистемы.
Как и выше, в вариантах, в которых имеются отдельные независимые управляющие электронные блоки, описание, ссылающееся на фиг.10, хотя и относится к первой измерительной подсистеме, является в равной мере применимым ко второй измерительной подсистеме. Кроме того, наличие отдельных независимых электронных блоков позволяет одной подсистеме продолжать функционирование, когда вторая измерительная подсистема не действует (например, когда отказал ее управляющий электронный блок или пара преобразователей). Как указано выше, управляющая электронная схема может обмениваться (что обозначено линией 221) через соответствующие коммуникационные порты 208 значениями величин, пропорциональных расходу текучей среды, и когда значения оказываются различными (что определяется, например, заданным пороговым значением), один или оба управляющих электронных блока могут идентифицировать состояние неисправности. Идентификация состояния неисправности может предусматривать переключение контактов на дискретном выходном устройстве, включение светодиода или другого светоизлучающего устройства или передачу сообщения, идентифицирующего состояние неисправности, через коммуникационный порт 208 другим устройствам и системам, например, системе диспетчеризации и сбора данных (SCADA).
На фиг.11 представлена электронная схема 152 расходомера в соответствии с альтернативными вариантами. В частности, в этих вариантах одна управляющая электронная схема 152 связана как с парами преобразователей 222 первой измерительной подсистемы, так и с парами преобразователей 224 второй измерительной подсистемы. В вариантах, показанных на фиг.11, процессор 202 определяет первое значение, оценивающее поток текучей среды через расходомер, используя только пары 222 преобразователей первой измерительной подсистемы. Процессор 202 также вычисляет второе значение, оценивающее поток текучей среды через расходомер, используя только пары 224 преобразователей второй измерительной подсистемы. Процессор 202 может затем сравнивать полученные значения и идентифицировать состояние неисправности, если два значения отличаются больше, чем на заранее выбранную величину. Дополнительно, процессор 202 и связанная с ним электронная схема могут продолжать вычислять значения, оценивающие расход текучей среды, используя пары преобразователей одной измерительной подсистемы, когда один или несколько преобразователей второй измерительной подсистемы не действуют. В других дополнительных вариантах процессор 202 может не выполнять сравнение двух значений, а вместо этого передавать через коммуникационный порт 208 два значения другим системам (например, вычислителю расхода, системе диспетчеризации и сбора данных SCADA) для сравнения.
На фиг.12 представлен алгоритм данного способа, соответствующий по меньшей мере некоторым вариантам. В частности, алгоритм начинает работу (блок 1200) и переходит к определению первого значения, оценивающего поток текучей среды через центральный канал корпуса расходомера (при этом определении используется первая группа пар преобразователей, где каждая пара преобразователей определяет некоторую хорду, и по меньшей мере две из хорд не компланарны) (блок 1204). Почти одновременно с определением первого значения алгоритм дополнительно определяет второе значение, оценивающее расход текучей среды, протекающей через центральный канал расходомера (при этом определении используется вторая группа пар преобразователей, где каждая пара преобразователей второй группы пар преобразователей определяет некоторую хорду, и по меньшей мере два из хорд не компланарны) (блок 1208), и затем алгоритм заканчивает работу (блок 1212).
По приведенному здесь описанию специалисты в данной области легко могут разработать программное оборудование, предназначенное, как видно из описания, для соответствующих многоцелевых или специализированных аппаратных средств, с целью создания компьютерной системы и/или ее компонент, соответствующих различным вариантам, разработать компьютерную систему или ее компоненты, реализующие способы, соответствующие различным вариантам, и/или представить машиночитаемые носители, хранящие программное обеспечение, реализующее различные аспекты данного способа для различных вариантов.
Приведенное выше обсуждение, как предполагается, является лишь иллюстрирующим принципы данного изобретения и его различные варианты. Многочисленные вариации и модификации станут очевидными специалистам в данной области при анализе данного раскрытия. Предполагается, что следующая далее формула изобретения должна интерпретироваться как охватывающая все такие вариации и модификации.