具有上游压力换能器的超声流量计量系统的制作方法
【专利摘要】本公开涉及用于监控流量系统的操作的装置和方法。在一个实施例中，一种流量计量系统包括流量计、第一和第二压力传感器、流量调节器和条件监控器。流量计被配置成测量流过流量计的流体体积。第一压力传感器被设置成靠近流量计以测量靠近流量计的流体压力。流量调节器设置在流量计上游。第二压力传感器设置在流量调节器上游以测量流量调节器上游的流体压力。条件监控器耦接到流量计和各压力传感器，并且被配置成基于第一和第二压力传感器的压力测量结果之间的差来识别流量计量系统的操作中的潜在矛盾。
【专利说明】具有上游压力换能器的超声流量计量系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2012年10月19日提交的美国临时专利申请第61/716，164号(Attorney Docket N0.1787-27900，M&C201213)的优先权，其整体内容通过引用合并于此。
【背景技术】
[0003]天然气经由管线从一个地方输送到另一个地方。期望精确地了解在管线中流动的气体量，并且特别地在流体被转手或者“密闭传输”时要求精度。然而，即使在密闭传输未能进行的情况下，仍需要测量精度，并且在这些情况下，可以使用流量计。
[0004]超声流量计是一种类型的可用于测量在管线中流动的流体量的流量计。超声流量计具有足以用在密闭传输中的精度。在超声流量计中，跨越待测流体流来回发送声学信号。基于接收到的声学信号的参数，确定流量计中的流体流速。可以根据流速和已知的流量计的横截面积来确定流过流量计的流体体积。
[0005]超声流量计量系统常遇到影响计量系统的校准、精度和/或操作的各种条件。例如，管线中污染物的积累、流量限制和/或操作环境相对于校准环境的差异或变化可以影响流量计精度。因此，需要用于监控与流量计系统操作和精度相关的条件的有效技术。
【发明内容】
[0006]这里公开了用于监控流量计操作的装置和方法。在一个实施例中，一种流量计量系统包括流量计、第一和第二压力传感器、流量调节器和条件监控器。流量计被配置成测量流过流量计的流体体积。第一压力传感器被设置成靠近流量计以测量靠近流量计的流体压力。流量调节器设置在流量计上游。第二压力传感器设置在流量调节器上游以测量流量调节器上游的流体压力。条件监控器耦接到流量计和各压力传感器，并且被配置成基于第一和第二压力传感器的压力测量结果之间的差来识别流量计量系统的操作中的潜在矛盾。在另一实施例中，一种用于监控流量计量系统的操作的方法包括从设置成靠近流量计的第一压力传感器和设置在调节提供给流量计的流体流的流量调节器的上游的第二压力传感器接收压力测量结果。建立第一和第二压力传感器之间的参考压力差。基于参考压力差以及从第一和第二压力传感器接收到的压力测量结果来识别流量计量系统的操作中的潜在矛盾。
[0007]在又一实施例中，一种用于监控流量计量系统的操作的条件监控系统包括参考压力确定引擎和参数检验引擎。参考压力确定引擎被配置成从设置成靠近流量计的第一压力传感器和设置在调节提供给流量计的流体流的流量调节器的上游的第二压力传感器接收压力测量结果。参考压力确定引擎被进一步配置成基于压力测量结果建立第一和第二压力传感器之间的参考压力差。参数检验引擎被配置成基于参考压力差以及从第一和第二压力传感器接收到的压力测量结果来识别流量计量系统的操作中的潜在矛盾。
【专利附图】
【附图说明】[0008]为了更详细地描述本发明的示例性实施例，现将参照附图，在附图中:
[0009]图1示出了根据各实施例的超声流量计量系统；
[0010]图2示出了根据各实施例的超声流量计的横截面俯视图；
[0011]图3示出了根据各实施例的包括流量调节器上游的压力传感器的超声流量计量系统的不意图；
[0012]图4示出了根据各实施例的条件监控系统的框图；
[0013]图5示出了根据各实施例的条件监控器的基于处理器的实施例的框图；以及
[0014]图6示出了根据各实施例的用于监控超声流量计量系统的条件的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0015]在以下讨论以及所附权利要求中，术语“包括”和“包含”是以开放方式使用的，并且因此应被解释为意味着“包括，但不限于……”。此外，术语“耦接”旨在意味着间接的或直接的电连接。因此，如果第一设备耦接到第二设备，则该连接可以通过直接电连接或者通过经由其他设备和连接实现的间接电连接。此外，术语“软件”包括能够在处理器上运行的任何可执行代码，而与用于存储软件的介质无关。因此，存储器(例如，非易失性存储器)中存储的代码(有时被称为“嵌入固件”)包括在软件的定义内。记载“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以及许多其他因素。术语“流体”包括液体和气体。
[0016]以下描述涉及本发明的各示例性实施例。附图不一定依比例绘制。为了清楚和简洁起见，实施例的某些特征可能被按比例放大或者以略微示意性的形式示出，并且传统元件的一些细节可能未被示出。所公开的实施例不应被解释为或者另外用于限制包括所附权利要求的本公开的范围。此外，本领域技术人员将理解，以下描述具有广泛应用，并且任何实施例的讨论仅作为该实施例的示例，而非旨在宣示包括所附权利要求的本公开的范围限于该实施例。将全面认识到，以下讨论的实施例的不同教导可以被分离地采用或者以任何适当的组合采用以产生期望的结果。此外，在测量碳氢化合物流量(例如，原油、天然气)的背景下开发了各实施例，并且描述遵循该开发背景；然而，所描述的系统和方法同样适用于任何流体流的测量。
[0017]超声流量计量系统包括条件监控器(例如，基于条件的监控系统)以实现计量系统操作和/或系统操作条件的改变的检测，以及引起这些改变的条件的校正。超声计条件监控器是监控超声计和相关联的仪器的操作的系统。条件监控器可以通过执行诸如以下功能的示例性功能来分析计量系统的操作:
[0018]?检测诸如流态、流动对称、旋流、紊流等的流动特性的改变；
[0019]?检测诸如超声信号检测的错误率、增益水平、噪声水平、峰开关检测等的超声诊断结果的改变；
[0020]?使用美国煤气协会(AGA) 10标准的从超声流量计测量的声速与气体组分、压力和温度的比较；
[0021]?测量的温度与从声速得到的温度的比较；
[0022]?从气体组分传感器(例如，气体色谱仪)得到的密度与从声速得到的密度的比较。[0023]由于流动压力的改变影响通过超声计量产生的流体体积测量结果的精度，因此超声流量计量系统包括靠近流量计的压力传感器以提供流体压力测量结果。定期检验压力传感器的精度以确保计量精度不会受到压力传感器误测量的不利影响。在传统的超声流量计量系统中，通过自重测试器、或者泵和已在认可实验室校准的额外的压力传感器来检验压力传感器的精度。替选地，假设两个压力传感器将不会体验共模故障或漂移，可以将冗余的压力传感器设置成靠近超声流量计。
[0024]本公开的实施例包括流量调节器上游的压力传感器，而非如传统的超声计量系统中的那样的靠近超声流量计(例如，在该超声流量计处或其下游)的额外的压力传感器。这里公开的流量计量系统应用上游的压力传感器提供的压力测量结果来检验靠近流量计的压力传感器的操作并且识别流量调节器的操作中的潜在改变。
[0025]图1示出了根据各实施例的超声流量计量系统100。系统100包括超声流量计101，传感器134、136、138以及条件监控器128。在系统100中，超声流量计101耦接到管道或其他结构132。在一些实施例中，管道132设置在超声流量计101的下游。管道132包括允许传感器134-138接入流过系统100的流体流的开口 144。条件监控器128耦接到传感器134-138以及超声计101。在一些实施例，条件监控器128可以是耦接到超声计101的流量计算机的一部分。在其他实施例中，条件监控器128可以与超声计101的电子装置124集成，或者被实现为分立设备。
[0026]超声流量计101包括仪器本体或短管件102，其限定中心通道或孔。短管件102被设计并构造为耦接到管线或者承载流体(例如，天然气)的其他结构，使得在管线中流动的流体行进通过中心孔。在流体行进通过中心孔时，超声流量计101测量流率(因此，该流体可以被称为被测流体)。短管件102包括凸缘106，其便于将短管件102耦接到另一结构。在其他实施例中，可以等同地使用用于将短管件102耦接到结构的任何适当的系统(例如，焊接连接)。
[0027]为了测量短管件102内的流体流量，超声流量计101包括多个换能器组件。在图1的视图中，以完整或局部视图示出了五个这样的换能器组件108、110、112、116和120。如下文将进一步讨论的，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接到控制电子封装124。更具体地，每个换能器组件借助于各自的线缆126或者等同的信号传导组件电耦接到控制电子封装124。
[0028]图2示出了根据各实施例的超声流量计101的横截面俯视图。短管件102具有预定尺寸并且限定被测流体通过其流动的中心孔104。说明性的换能器组件112和114的对沿短管件102的长度安置。换能器112和114是声学收发器，并且更具体地是超声收发器。超声换能器112、114两者均生成并且接收具有约20KHz以上的频率的声学信号。声学信号可以由每个换能器中的压电元件生成并接收。为了生成超声信号，压电元件借助于信号(例如，正弦信号)进行电激励，并且元件通过振动进行响应。对于该对中的相应的换能器组件，压电元件的振动生成声学信号，该声学信号行进通过被测流体。相似地，在被声学信号撞击之后，接收的压电元件振动并且生成电信号(例如，正弦信号)，该电信号被与流量计101相关联的电子装置124检测、数字化并分析。
[0029]还被称为“弦”的路径200以相对中心线202的角度Θ存在于说明性的换能器组件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限定由换能器组件112和114生成的声学信号进入并且离开流过短管件102的流体的位置(即，短管件的孔的入口)。换能器组件112和114的位置可以由角度Θ限定，由在换能器组件112和114的面之间的测量的第一长度L、与点204和206之间的轴向距离对应的第二长度X、以及与管道内部直径对应的第三长度d限定。在多数情况下，距离d、X和L是在流量计制造期间精确确定的。诸如天然气的被测流体在方向208上以速度剖面210流动。速度向量212、214、216和218图示了通过短管件102的气体速度朝向短管件102的中心线202增加。
[0030]在最初时，下游的换能器组件112生成入射在上游的换能器组件114上并且因此被其检测的超声信号。此后有时，上游的换能器组件114生成返回的超声信号，其随后入射在下游的换能器组件112上并且被其检测。因此，换能器组件沿弦路径200交换超声信号220或者对其进行“一发一收(pitch and catch)”。在操作期间，该序列可以每分钟进行数千次。
[0031]说明性的换能器组件112和114之间的超声信号220的传送时间部分地取决于超声信号220相对于流体流动的上游还是下游行进。超声信号向下游(即，在与流体流动相同的方向上)行进的传送时间小于其上游(即，对向流体流动)行进时的传送时间。上游和下游传送时间可用于计算沿信号路径的平均速度，以及被测流体中的声速。在给出承载流体的流量计101的横截面测量结果的情况下，中心孔104的面积上的平均速度可用于获得流过短管件102的流体的体积。
[0032]超声流量计可以具有一个或更多个弦。例如,流量计101包括短管件102内的变化的高度处的四个弦路径。可以在每个弦处确定流体的流速以获得弦流速，并且弦流速被组合以确定整个管道上的平均流速。根据平均流速，可以确定在短管件中并且因此在管线中流动的流体量。
[0033]典型地，控制电子装置124使换能器(例如，112,114)激活并且从换能器接收输出信号。控制电子装置124还可以计算每个弦的平均流速，计算流量计的平均流速，计算通过流量计的体积流率，计算通过流体的声速，执行流量计诊断等。体积流率以及诸如流速、声速等的其他测量的和计算的值可以被输出到条件监控器128。如上文提及的，在一些实施例中，条件监控器128可以包括在控制电子装置124中。
[0034]对于给定的弦，弦流速V由下式给出:
【权利要求】
1.一种流量计量系统，包括: 流量计，其被配置成测量流过所述流量计的流体体积； 第一压力传感器，其被设置成靠近所述流量计以测量靠近所述流量计的流体压力； 流量调节器，其设置在所述流量计上游； 第二压力传感器，其设置在所述流量调节器上游以测量所述流量调节器上游的流体压力；以及 条件监控器，其耦接到所述流量计和各压力传感器，并且被配置成基于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的压力测量结果之间的差来识别所述流量计量系统的操作中的潜在矛盾。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述条件监控器被配置成建立所述第一压力传感器和所述第二压力传感器之间的参考压力差。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述条件监控器被配置成基于相对于流体的雷诺数和速度至少之一的、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的压力测量结果之间的差来建立所述参考压力差。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述条件监控器被配置成基于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器之间的压力差超过所述参考压力差预定量以上来生成指示所述流量调节器的阻塞的警报 。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述条件监控器被配置成基于所述第二压力传感器测量的压力的增加来生成所述警报。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述条件监控器被配置成基于参考压力和所述第二压力传感器测量的压力来计算靠近所述流量计的压力的期望值。
7.根据权利要求2所述的系统，其中所述条件监控器被配置成基于所述第一压力传感器测量的压力与所述期望值的差大于预定量来生成指示关于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器至少之一的问题的警报。
8.一种用于监控流量计量系统的操作的方法，包括: 从设置成靠近流量计的第一压力传感器接收压力测量结果； 从设置在用于调节提供给所述流量计的流体流的流量调节器的上游的第二压力传感器接收压力测量结果； 建立所述第一压力传感器和所述第二压力传感器之间的参考压力差； 基于所述参考压力差以及从所述第一压力传感器和所述第二压力传感器接收到的压力测量结果来识别所述流量计量系统的操作中的潜在矛盾。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述建立包括:基于相对于流体流的流体的雷诺数和速度至少之一的、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的压力测量结果之间的差来确定所述参考压力差。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述识别包括:基于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器之间的压力差超过所述参考压力差预定量以上来生成指示所述流量调节器的阻塞的警报。
11.根据权利要求11所述的方法，其中所述识别包括:基于所述第二压力传感器测量的压力的增加来生成所述警报。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括:基于参考压力和所述第二压力传感器测量的压力来计算靠近所述流量计的压力的期望值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述识别包括:基于所述第一压力传感器测量的压力与所述期望值的差大于预定量来生成指示关于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器至少之一的问题的警报。
14.一种用于监控流量计量系统的操作的条件监控系统，包括: 参考压力确定引擎，其被配置成: 从设置成靠近流量计的第一压力传感器获取压力测量结果； 从设置在用于调节提供给所述流量计的流体流的流量调节器的上游的第二压力传感器获取压力测量结果； 基于压力测量结果建立所述第一压力传感器和所述第二压力传感器之间的参考压力差; 参数检验引擎，其被配置成基于参考压力差以及从所述第一压力传感器和所述第二压力传感器接收到的压力测量结果来识别所述流量计量系统的操作中的潜在矛盾。
15.根据权利要求15所述的系统，其中所述参考压力确定引擎被配置成基于相对于流体流的流体的雷诺数的、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的压力测量结果之间的差来建 立所述参考压力差。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述参考压力确定引擎被配置成基于相对于流体流的速度的、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的压力测量结果之间的差来建立所述参考压力差。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述参数检验引擎被配置成基于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器之间的压力差超过所述参考压力差预定量以上来生成指示所述流量调节器的阻塞的警报。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述参数检验引擎被配置成基于所述第二压力传感器测量的压力的增加来识别潜在阻塞。
19.根据权利要求14所述的系统，其中所述参考压力确定引擎被配置成基于参考压力和所述第二压力传感器测量的压力来计算靠近所述流量计的压力的期望值。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述参数检验引擎被配置成基于所述第一压力传感器测量的压力与所述期望值的差大于预定量来识别关于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器至少之一的潜在问题。
【文档编号】G01F1/66GK103776516SQ201310496428
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2012年10月19日
【发明者】拉姆赛·劳森 申请人:丹尼尔测量和控制公司