专利名称：用于针对协同布置的流量计的仪表替换的系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及流量计的技术领域，并且具体地涉及用于针对协同布置(co-located)的流量计的仪表替换的系统和方法。
背景技术：
在碳氢化合物已从地底迁移之后，流体流(例如原油、天然气)经由管线从一个地方向另一个地方输送。希望精确地知道在流中流动的流体的量，并且当流体正在换手或“密闭输送”时，要求特别精确。然而，甚至在密闭输送没有发生的地方也希望测量精确度，并且在这些情形下可以使用流量计。超声波流量计是一种类型的流量计，其可以用来测量在管线中流动的流体的量。在超声波流量计中，超声波信号跨越将要测量的流体流来来回回地发送，并且基于超声波信号的各种特性，可以计算流体流量的测量结果。提供改进的流量测量精确度和故障免疫的超声波流量计是所希望的。
实用新型内容在此公开了当多个协同布置的超声波流量计中的一个已出故障时用于超声波流量计量的系统。在一个实施例中，一种超声波流量计量系统包括多个超声波流量计。超声波流量计中的每一个包括流量处理器。流量处理器配置成维持多个速率仓(velocity bin),仓中的每一个对应于用于流量计的流速范围。流量处理器还配置成在仓中的每一个之内维持指示通过与仓中的给定一个相关联的流量计中的给定一个的流体流量的过去平均速率的值。流量处理器进一步配置成响应于已出故障的流量计中的一个，基于维持在仓之内的值来确定通过系统的估计的平均流体流速。在进一步的实施例中，一种超声波流量计包括用于流体流动的通道、成对的超声波换能器和流量处理器。成对的超声波换能器配置成形成跨越换能器之间的通道的弦路径。流量处理器耦合到超声波换能器，并且配置成基于换能器的输出来测量流过通道的流体流的流速。流量处理器还配置成将测量的流速值与布置成测量流体流的流速的不同流量计交换。流量处理器进一步配置成响应于不同流量计的故障，基于由流量处理器测量的流速和由流量处理器维持的针对不同流量计的流速的历史值，计算估计的流体流的平均流速。
图1示出了根据各种实施例的超声波流量计；图2示出了根据各种实施例的超声波流量计的横截面顶视图；图3示出了根据各种实施例的超声波流量计的端视图；图4示出了根据各种实施例的超声波流量计的换能器对的布置；图5示出了根据各种实施例的包括配置用于仪表替换的成对的协同布置的超声波流量计的流量计量系统；图6示出了根据各种实施例的包括配置用于仪表替换的协同布置的超声波流量计的流量计量系统的框图；以及图7示出了用于根据各种实施例的用于使用协同布置的超声波流量计进行仪表替换的方法的流程图。符号和名称贯穿以下描述和权利要求使用一定的术语来指称具体的系统部件。如本领域技术人员将会意识到的那样，公司可以通过不同的名称来指称部件。本文件并不打算在名称而非功能不同的部件之间进行区分。在以下讨论中和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放的方式来使用，因此应当被解释为指的是“包括但不限于……”。另外，术语“耦合”旨在意味着间接或直接电连接。这样一来，如果第一装置耦合到第二装置，则该连接可以通过直接电连接进行，或者经由其它装置和连接而通过间接电连接进行。进一步，术语“软件”包括能够在处理器上运行的任何可执行代码，而不管用来存储软件的介质。这样一来，存储在存储器(例如非易失性存储器)中并且有时被称为“嵌入式固件”的代码就包括在软件的定义之内。引用“基于”旨在意味着“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，则X可以基于Y和任何数目的其它要素。如在此使用的术语“流率”指的是体积流量的速率。
具体实施方式
以下描述针对本实用新型的各种实施例。附图不一定按比例绘制。实施例的一定特征可以比例夸张地示出，或者以某种示意性形式示出，并且为了清楚和简要起见，可以不示出传统元件的某些细节。公开的实施例不应当被解释成或用来限制包括权利要求的本公开的范围。另外，本领域技术人员将会理解的是，以下描述具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅指的是该实施例的示例，而非旨在宣告包括权利要求的本公开的范围被限制到该实施例。要充分认识到的是，下面讨论的实施例的不同教导可以单独地或者以任何适当的组合来运用，以产生希望的结果。进一步，在测量碳氢化合物流(例如原油、天然气)的环境中开发了各种实施例，并且描述是从开发的环境中得出的；然而，描述的系统和方法同样地可用于任何流体流(例如低温物质、水等)的测量。图1示出了根据各种实施例的超声波流量计100。超声波流量计100包括仪表主体或管段(spool piece) 102，其限定了中心通道或孔104。管段102被设计和构造以耦合到运送流体(例如天然气)的管线或其它结构(未示出)，使得在管线中流动的流体穿过中心孔104。当流体穿过中心孔104时，超声波流量计100测量流率(因此，流体可以被称为测量流体)。管段102包括法兰106，其便于将管段102耦合到别的结构。在其它实施例中，可以等效地使用用于将管段102耦合到结构的任何适当系统(例如焊接连接)。为了测量管段102之内的流体流量，超声波流量计100包括多个换能器组件。在图1的附图中，五个这样的换能器组件108、110、112、116和120全部或部分可见。如下面进一步将会讨论的那样， 换能器组件是成对的(例如换能器组件108和110)。此外，每个换能器组件电耦合到示意地容纳在机壳中的控制电子设备124。更加具体地，借助于各个线缆126或等效的信号传导组件，每个换能器组件电耦合到控制电子设备124。图2示出了基本上沿着图1的线2-2截取的超声波流量计100的横截面顶视图。管段102具有预定尺寸，并且限定了测量流体所流过的中心孔104。沿着管段102的长度定位示意性成对的换能器组件112和114。换能器112和114是声学收发器，并且更加具体地是超声波收发器。超声波换能器112、114两者都生成并接收具有大约20千赫以上频率的声信号。可以通过每个换能器中的压电元件生成并接收声信号。为了生成声信号，借助于信号(例如正弦信号)电刺激压电元件，并且元件通过振动做出响应。压电元件的振动生成声信号，该声信号穿过测量流体至成对的相应换能器组件。类似地，当被声信号敲击时，接收的压电元件振动并且生成电信号(例如正弦信号)，该电信号由与流量计100相关联的电子设备检测、数字化和分析。也被称为“弦”的路径200以与中心线202成Θ角地存在于示意性的换能器组件112和114之间。弦200的长度是换能器组件112的面和换能器组件114的面之间的距离。点204和206限定了这样的位置，在所述位置处，由换能器组件112和114生成的声信号进入和离开流过管段102的流体(亦即至管段孔的入口)。换能器组件112和114的位置可以通过角度Θ、在换能器组件112和114的面之间测量的第一长度L、对应于点204和206之间轴向距离的第二长度X以及对应于管内径的第三长度“d”来限定。在大多数情况下，在流量计制造期间精确地确定距离d、X和L。诸如天然气之类的测量流体以速度剖面210在方向208上流动。速度矢量212、214、216和218表明，通过管段102的气体速度朝向管段102的中心线202增加。最初，下游换能器组件112生成超声波信号，该超声波信号入射在上游换能器组件114上并从而由其检测。一定时间以后，上游换能器组件114生成返回超声波信号，该返回超声波信号随后入射在下游换能器组件112上并由其检测。这样一来，换能器组件就沿着弦路径200使用超声波信号220进行交换或进行“一收一发”。在运行期间，这个序列可以每分钟发生数千次。示意性的换能器组件112和114之间的超声波信号220的渡越时间部分地取决于超声波信号220相对于流体流是向上游还是向下游行进。超声波信号向下游(亦即在与流体流相同的方向上)行进的渡越时间小于超声波信号向上游(亦即对着流体流)行进的渡越时间。上游和下游渡越时间可以用来计算沿着信号路径的平均速率以及测量流体中的声速。给定运送流体的流量计100的横截面测量结果，中心孔104的面积之上的平均速率可以用来求出流过管段102的流体的体积。超声波流量计可以具有一个或多个弦。图3图示了超声波流量计100的端视图。具体地，示意性的超声波流量计100包括管段102之内的变化水平处的四个弦路径A、B、C和D。每个弦路径A-D对应于交替地起到发送器和接收器作用的换能器对。换能器组件108和110 (仅部分可见)构成弦路径A。换能器组件112和114 (仅部分可见)构成弦路径B。换能器组件116和118 (仅部分可见)构成弦路径C。最后，换能器组件120和122 (仅部分可见)构成弦路径D。相对于示出顶视图的图4，示出了四对换能器的进一方面的布置。每个换能器对都对应于图3的单个弦路径；然而，以与中心线202成非垂直的角来安装换能器组件。例如，以与管段102的中心线202成非垂直的角Θ来安装第一对换能器组件108和110。安装另一对换能器组件112和114，以便弦路径相对于换能器组件108和110的弦路径松散地形成“X”的形状。类似地，换能器组件116和118布置成平行于换能器组件108和110，但是处于不同的“水平”或高度。在图4中没有明显示出的是第四对换能器组件(亦即换能器组件120和122)。考虑到图2、3和4，换能器对可以布置成使得对应于弦A和B的上两对换能器形成“X”的形状，并且对应于弦C和D的下两对换能器也形成“X”的形状。可以在每个弦A-D处确定流体的流速以获得弦流速，并且对弦流速进行组合以确定整个管之上的平均流速。从平均流速中，可以确定在管段并从而在管线中流动的流体的量。本公开的实施例耦合多个超声波流量计(例如流量计100的实例100A/B)以提供增强的流量测量精确度。图5示出了包括串联耦合的成对的协同布置的超声波流量计100的流量计量系统500。其它实施例可以包括不同数目的耦合的协同布置的流量计和/或不同数目的总体或每个流量计弦路径。使用可以是局域网(LAN)的通信链路502或者用于在流量计100A/B之间交换数据的任何其它设备，通信耦合成对的流量计的电子设备。每个流量计100的电子设备与另一个流量计交换流量测量值，并且基于两个流量计100提供的流量测量结果来计算组合流率值。通过对成对的四路径流量计100进行组合，系统500形成了八路径流量计，其相对于每个单独的四路径流量计100提供了改进的测量精确度。在某些实施例中，两个或更多流量计100的超声波换能器可以布置在单个管段中，并且/或者两个或更多流量计的电子设备可以布置在单个机壳中。在进一步的实施例中，两个或更多流量计100可以包括相对于流路的不同弦配置，例如不同的弦高度、角度等，这在对流量计100的测量结果进行组合时提供了改进的测量精确度。系统500的每个流量计100配置成当流量计100中的另一个不运行或者未能提供流量测量结果(例如流体流速测量结果)时，精确地估计流过系统500的流体流的速率。为了在协同布置的流量计100出故障时提供精确的流速估计，每个流量计100记录针对流量计100的流速的历史值，并且代替由于出故障的流量计100而缺失的测量流速值，基于从历史值导出的代替流量值来计算系统500的流速。在流量计100的实施例中，通过系统500的流体流的最大速率范围被划分为若干个连续非重叠的“仓”，其中，仓指的是可能流速的子范围或存储器，所述存储器被分配用于记录与子范围相关联的信息，如在此描述的那样。针对系统500的每个流量计100维持一组仓，并且在每个仓中记录历史值，所述历史值指示仓的速率范围之内的相关流量计100的平均流速。当流量计100正常运转时,用于流量计100的平均流速值记录在相应的仓中。在一些实例中，给定的流量计100可能不能用它自己对来自另一个流量计100的测量速率值进行组合(例如因为该值不可靠或尚未接收到)以计算通过系统500的平均流速。在这样的实例中，给定的流量计100可以结合(例如给定的流量计的)测量流速，应用从适当的仓中检索的历史流速值(亦即替换值)，来计算流过系统500的流体流的平均速率。可以基于给定流量计100的测量流速来选择适当的仓。如果测量流速落在两个相邻仓中记录的速率之间，那么可以应用插值来提高替换值的准确性。实施例可以应用线性插值、多项式插值、样条插值或其它插值方法。下面的表I示出了针对流量计100A和与流量计100A协同布置的流量计100B以英尺每秒(fps)为单位记录平均速率值的流量计100A中的仓的示例性布置。表I平均速率仓
权利要求1.一种超声波流量计量系统，其特征在于包括: 多个超声波流量计，所述流量计中的每一个包括: 流量处理器，配置成: 维持多个速率仓，所述仓中的每一个对应于用于所述流量计的流速范围； 在所述仓中的每一个之内，维持指示通过与所述仓中的给定仓相关联的所述流量计中的给定流量计的流体流量的过去平均速率的值；以及 响应于已出故障的流量计中的一个，基于维持在所述仓之内的值来确定通过所述系统的估计的平均流体流速。
2.根据权利要求 1所述的系统，其特征在于，所述流量处理器配置成: 响应于所述流量计中的给定流量计的故障，基于维持在所述仓中的值来确定通过所述流量计中的给定流量计的估计的平均流体流速；以及 通过组合通过所述流量计中的给定流量计的估计的平均流体流速和通过所述流量计中的未出故障流量计的测量的平均流体流速，确定通过所述系统的估计的平均流体流速。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流量处理器配置成存储处于所述仓中的给定仓的速率范围之内的由所述流量计中的给定流量计测量的流速的平均值作为所述值。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流量处理器配置成存储所述流量计中的给定流量计的平均流速对所述流量计的平均流速的贡献比例作为所述值。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流量处理器配置成存储所述流量计中的给定流量计的平均流速对所述流量计中的不同流量计的平均速率的比率作为所述值。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述流量处理器配置成不基于出故障的流量计中的任何一个来更新所述值。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流量处理器配置成基于未出故障的流量计中的给定流量计来更新所述值。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流量处理器配置成: 在所述仓中的每一个中存储初始化值；以及 只有在所述仓中的给定仓中存储的初始化值已根据测量的流速值而被更新之后，才基于所述仓中的给定仓之内维持的值来确定估计的平均流速。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流量处理器配置成基于处在所述仓中的两个仓中记录的值之间的所述流量计中的未出故障流量计的平均流速，通过在所述仓中的两个仓中存储的值之间进行插值来确定估计的平均流速。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流量处理器配置成基于未出故障的流量计中的至少一个来确定通过所述流量计的流速。
11.一种超声波流量计，其特征在于包括: 用于流体流动的通道； 成对的超声波换能器，配置成形成跨越换能器之间的通道的弦路径；以及 流量处理器，其耦合到所述超声波换能器，并且配置成: 基于所述换能器的输出来测量流过所述通道的流体流的流速； 将测量的流速值与布置成测量所述流体流的流速的不同流量计交换；以及响应于所述不同流量计的故障，基于由所述流量处理器测量的流速和由所述流量处理器维持的针对所述不同流量计的流速的历史值，计算估计的所述流体流的平均流速。
12.根据权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于，所述流量处理器配置成: 维持多个速率仓，所述仓中的每一个对应于用于所述流体流的速率范围；以及 在所述仓中维持流速的历史值，其中每个历史值指示通过所述超声波流量计和所述不同流量计中的一个的流体流的平均速率。
13.根据权利要求12所述的超声波流量计，其特征在于，所述流量处理器配置成基于所述不同流量计的故障，基于维持在所述仓之内的历史值来确定流过所述不同流量计的流体流的估计速率。
14.根据权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于，所述历史值包括处于可由所述不同流量计测量的流速的预定子范围之内的由所述不同流量计测量的流速的平均值。
15.根据权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于，所述历史值包括由所述流量处理器测量的流速对所述流体流的平均流速的贡献比例。
16.根据权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于，所述历史值包括由所述流量处理器测量的流速对由所述不同流量计测量的流速的比率。
17.根据权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于，所述流量处理器配置成基于未出故障的所述超声波流量计和所述不同流量计两者来更新所述历史值。
18.根据权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于，所述流量处理器配置成基于未出故障的所述不同流量计来更新所述历史值。
19.根据权利要求11所 述的超声波流量计，其特征在于，所述流量处理器配置成: 初始化所述历史值；以及 只有在所述流量处理器响应于所述不同流量计向所述流量处理器提供处于对应于所述历史值的流速的预定子范围之内的有效测量流速而更新所述历史值之后，才基于所述历史值计算估计的平均流速。
20.根据权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于，所述流量处理器配置成基于处在用于平均流速的历史值之间的由所述流量处理器测量的流速，通过在不同的历史值之间进行插值来确定估计的平均流速。
专利摘要本公开涉及用于针对协同布置的流量计的仪表替换的系统。该系统用于超声波流量计量。在一个实施例中，一种超声波流量计量系统包括多个超声波流量计。超声波流量计中的每一个包括流量处理器。流量处理器配置成维持多个速率仓，仓中的每一个对应于用于流量计的流速范围。流量处理器还配置成在仓中的每一个之内维持指示通过与仓中的给定一个相关联的流量计中的给定一个的流体流量的过去平均速率的值。流量处理器进一步配置成响应于已出故障的流量计中的一个，基于维持在仓之内的值来确定通过系统的估计的平均流体流速。
文档编号G01F1/66GK202938860SQ20122034101
公开日2013年5月15日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年5月2日
发明者格拉哈姆·W·福尔贝斯, 克里·D·格罗舍尔 申请人:丹尼尔测量和控制公司