利用经补偿的计算温度的超声流动计量的制作方法
【专利摘要】用于校验超声流量计中的温度测量的设备和方法。超声流动计量系统包括用于流体流动的通道、温度传感器、超声流量计以及流动处理器。温度传感器布置成提供在该通道中流动的流体的测量温度。超声流量计构造成测量超声信号通过该流体的传送时间。流动处理器构造成：1)基于该传送时间算出声音通过该流体的速度；2)基于该声音的速度计算该流体的计算温度；3)基于计算温度与测量温度之间的历史差将补偿应用于温度校验参数；并且4)基于温度校验参数确定测量温度与计算温度之间的当前差是否在预定范围内。
【专利说明】利用经补偿的计算温度的超声流动计量
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年9月7日提交的美国临时专利申请N0.61/697，922 (代理人案号N0.1787-27500，M&C201209)和2013年6月27日提交的美国专利申请N0.13/928,635(代理人案号N0.1787-27501，M&C201209)的优先权，上述申请的全部内容由此通过参引的方式并入本文。
【背景技术】
[0003]天然气经由管线从一个地方向另一个地方运输。需要精确地知道在管线中流动的气体的量，并且当流体正在交易或“存储交接”时，要求特别精确。但是，甚至在不发生存储交接的情况下，也需要测量精确，并且在这些情况下，可以使用流量计。
[0004]超声流量计是可以用于测量在管线中流动的流体的量的一种流量计。超声流量计具有在存储交接中使用的足够的精度。在超声流量计中，声音信号横穿需测量的流体流进行来回发送。基于所接收的声音信号的参数，确定流量计中的流体流速。能够从所确定的流动速度和已知的流量计的横截面积来确定流动通过流量计的流体体积。
[0005]多种换能器与超声流量计结合使用来测量流体流的参数。例如，换能器可以用于测量流体流的温度、压力、气体成分、密度、相对密度、热值等。
[0006]在流动计量系统中，精确的温度测量对于允许执行质量、体积修正以及能量计算而言是重要的。声音在气体(例如天然气)中的速度取决于气体成分、以及气体温度和压力。相反地，温度可以被认为是声音在气体中的速度、气体成分、以及压力的函数。在装备有压力和气体成分换能器的超声计量系统中，所测量的声音速度(由声音信号的传送时间所算出的声音速度)、压力以及气体成分能够用于估算温度。
【发明内容】
[0007]文中公开了用于校验超声流动计量系统中的温度测量的设备和方法。超声流动计量系统包括用于流体流动的通道、温度传感器、超声流量计以及流动处理器。温度传感器布置成提供在通道中流动的流体的测量温度。超声流量计构造成测量超声信号通过流体的传送时间。流动处理器构造成:1)基于传送时间算出声音通过流体的速度:2)基于声音的速度计算出流体的计算温度；3)基于计算温度与测量温度之间的历史差将补偿应用于温度校验参数；并且4)基于温度校验参数确定测量温度与计算温度之间的当前差是否在预定温度校验范围内。
[0008]在另一实施方式中，一种用于超声计量中的温度补偿的方法包括测量流动通过超声流量计的流体流的温度。测量超声信号通过流体流的传送时间。基于传送时间计算流体流的计算温度。确定测量温度与计算温度之间的给定差是否在预定温度校验范围内。在确定之前，基于计算温度与测量温度之间的历史差对测量温度、计算温度、预定温度校验范围以及给定差中的至少一者进行补偿。
[0009]在另一实施方式中，一种流动处理器包括温度推导引擎、温度校验引擎以及温度补偿引擎。温度推导引擎构造成基于声音通过流体流的测量速度计算出流体流的计算温度。温度校验引擎构造成确定流体流的计算温度与测量温度的当前差是否在预定校验范围内。温度补偿引擎构造成基于计算温度与测量温度之间的历史差确定补偿值。温度补偿引擎还构造成将补偿值应用于测量温度、计算温度、预定校验范围以及当前差中的至少一者以便由温度校验引擎所使用。
[0010]在又一实施方式中，一种超声流动计量系统包括用于流体流动的通道、超声流量计以及流动处理器。超声流量计构造成测量超声信号通过流体的传送时间。流动处理器构造成:1)基于传送时间算出声音通过流体的速度；2)基于声音的速度计算流体的计算温度；3)基于计算温度与测量温度之间的历史差将补偿应用于计算温度；并且4)基于经补偿的计算温度确定通过通道的流体积。
【专利附图】
【附图说明】
[0011 ] 就本发明的示例性实施方式的详细描述而言，现参照附图，在附图中:
[0012]图1示出了根据多种实施方式的超声流动计量系统；
[0013]图2示出了根据多种实施方式的超声流量计的截面俯视图；
[0014]图3示出了超声流动计量系统中的所测量的温度和计算温度的示意性图示；
[0015]图4示出了根据多种实施方式的流动处理器的方框图；
[0016]图5示出了根据多种实施方式的超声流动计量系统中的所测量的温度和经补偿的计算温度的示意性图示；
[0017]图6示出了根据多种实施方式的超声流动计量系统中的所测量的温度和经补偿的计算温度的差的示意性图示；
[0018]图7示出了流动处理器的基于处理器的实施方式的方框图；以及
[0019]图8示出了根据多种实施方式的用于校验超声流动计量系统中的温度测量的方法的流程图。
[0020]符号和术语
[0021]在以下描述和权利要求中，术语“包含”和“包括”以开放的形式进行使用，并且因此应理解为指的是“包括，但不限于”。另外，术语“联接”或者“联接有”意在指的是直接或间接地电连接。因此，如果第一装置联接至第二装置，那么，该连接可以是通过直接电连接，或者通过经由其他装置和连接所实现的间接电连接。另外，术语“软件”包括不管用于存储软件的媒介如何均能够在处理器上运行的任一可执行编码。因此，存储在存储器(例如非易失性存储器)中并且有时被称作“嵌入式固件”的编码包含在软件的定义内。叙述语“基于”意在指的是“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，那么X可以基于Y以及任意数量的其他因素。术语“流体”包括液体和气体。
【具体实施方式】
[0022]以下描述涉及本发明的多个示例性实施方式。附图不必按比例绘制。可以比例上扩大地或以稍示意性的形式示出实施方式的某些特征，并且出于清楚和简明的考虑，可以不示出传统元件的一些细节。所公开的实施方式不应理解为或另外用于限制本公开(包括权利要求)的范围。另外，本领域中的普通技术人员可以理解，以下描述具有广泛的应用，并且任一实施方式的描述仅意于不例性地描述该实施方式，并无意于暗不本公开(包括权利要求)的范围限于该实施方式。可以充分地认识到，下文描述的实施方式的不同教示可以独立地或以任一适当组合的形式用于生成所需结果。另外，就测量烃类流(例如原油、天然气)而言，开发出了多种实施方式，并且将描述所开发出的情况；但是，所描述的系统和方法可同样地应用于任一流体流的测量。
[0023]因为流体温度影响声音通过流体的速度，并且随之影响超声流测量的精度，所以，应当常规地校验在超声计量中使用的温度换能器的适当操作。超声计量系统中所需的温度测量的精度可以由一个或者更多个国家、国际和/或行业标准或规章所管理。例如，关于用于烃类气体的财务测量系统的挪威石油工业技术法规(NORSOK)标准1-104指出温度测量的总不确定度最好在±0.15摄氏度以内。
[0024]校验超声流动计量系统中的温度测量仪器(例如温度换能器、温度变送器等)的传统方法将预防性维护应用于原地校验。例如，由计量系统的温度测量仪器所提供的温度测量可与通过由公认实验室所校准的温度测量设备所提供的同步测量进行比较。这种校验需要添加测试热井并且关闭计量系统。可替代地，计量系统可以包括两组温度测量仪器以允许过多仪器的连续比较。不幸地，传统方法由于需要其他设备和/或系统停机时间而趋于增大系统成本。
[0025]文中公开的超声计量系统的实施方式在不增加设备且没有系统关闭的情况下校验温度测量仪器的操作，由此降低了总系统成本。文中公开的实施方式将由计量系统的温度测量仪器所提供的温度测量结果与基于由超声计量系统所提供的声音的速度、流体压力、流体成分等的测量结果所算出的温度值进行比较。实施方式包括补偿用以调节所算出的温度值。经补偿的温度值可以与所测量的温度值进行比较从而确定温度测量仪器的性能是否满足可应用标准。如果缺少文中所公开的补偿，那么在所测量的温度值与计算温度值之间的偏差会妨碍比较。
[0026]图1示出了根据多种实施方式的超声流动计量系统100。系统100包括超声流量计101、传感器134、136、138以及流动处理器128。在系统100中，超声流量计101联接至管道或者其他结构132。在一些实施方式中，管道132布置在超声流量计101的下游。管道132包括开口 144，开口 144允许传感器134至138接近流动通过系统100的流体流。流动处理器128联接至传感器134至138并且联接至超声流量计101。在一些实施方式中，流动处理器128可以与超声流量计101的电子器件124结合成一体。
[0027]超声流量计101包括限定中央通道或孔的流量计本体或管段102。管段102设计并且构造成联接至管线或者运送流体(例如天然气)的其他结构使得在管线中流动的流体通过中央孔前进。在流体通过中央孔前进时，超声流量计101测量流速(因此，流体可以被称作被测流体)。管段102包括凸缘106，凸缘106有利于将管段102联接至其他结构。在其他实施方式中，可以等同地使用用于将管段102联接至结构的任一适当系统(例如焊接连接)。
[0028]为了测量管段102内的流体流动，超声流量计101包括多个换能器组件。在图1的视图中，以完全或部分视图展现了五个这种换能器组件108、110、112、116以及120。如下文中进一步所描述的，换能器组件是成对的(例如，换能器组件108和110)。另外，每个换能器组件均电联接至控制电子器件包124。更具体地，每个换能器组件均通过相应的电缆126或等同的信号传导组件电联接至控制电子器件包124。
[0029]图2示出了超声流量计101的截面俯视图。管段102具有预定尺寸并且限定中央孔104，被测流体流动通过该中央孔104。说明性的一对换能器组件112和114沿管段102的长度定位。换能器112和114是声音收发器，并且更具体地是超声收发器。超声换能器112、114两者都产生并且接收具有高于约20千赫兹的声音信号。可以由每个换能器中的压电元件产生并且接收声音信号。为了产生超声信号，通过信号(例如正弦曲线信号)电激励压电元件，并且该元件通过振动进行响应。压电元件的振动产生声音信号，该声音信号通过被测流体前进至所述一对换能器组件中的相应的换能器组件。同样地，在受到声音信号的冲击的情况下，接收压电元件振动并且产生电信号(例如正弦信号)，该电信号由与流量计101相联接的电子器件124所检测、数字化以及分析。
[0030]也被称作“声道”的路径200以与中央线202成角度Θ的形式存在于说明性的换能器组件112与114之间。声道200的长度为在换能器组件112的面与换能器组件114的面之间的距离。点204和206限定了由换能器组件112和114所产生的声音信号进入并且离开流动通过管段102的流体(即到管段孔的入口)的位置。换能器组件112和114的位置可以由角度Θ、由在换能器组件112和114的面之间测得的第一长度L、与在点204和206之间的轴向距离相对应的第二长度X、以及与管道内径相对应的第三长度d所限定。在大部分情况下，在流量计的制作过程中，精确地确定距离d、X以及L。诸如天然气的被测流体以速度分布210沿方向208流动。速度矢量212、214、216以及218示出了通过管段102的气体速度朝向管段102的中央线202增大。
[0031]最初，下游换能器组件112产生超声信号，该超声信号投射到上游换能器组件114上，并且由此被上游换能器组件114所检测。随后，上游换能器组件114产生返回超声信号，该返回超声信号随后投射到下游换能器组件112上并且由下游换能器组件112所检测。因此，换能器组件沿声道路径200转换了或者进行了超声信号220的“一发一收”。在运行中，此序列可能每分钟发生数千次。
[0032]超声信号220在说明性的换能器组件112与114之间的传送时间部分地取决于超声信号220相对于流体流向上游还是向下游传播。超声信号向下游(即沿与流体流相同的方向)传播的传送时间小于其向上游(即，逆着流体流)传播时的传送时间。向上游和向下游的传送时间能够用于计算沿信号路径的平均速度，以及声音在被测流体中的速度。在给定运送流体的流量计101的截面测量的情况下，通过中央孔104的面积的平均速度可以用于获得流动通过管段102的流体体积。
[0033]超声流量计能够具有一个或者更多个声道。例如，流量计101包括位于管段102内的不同高度处的四个声道路径。可以在每个声道处确定流体的流动速度从而获得声道流动速度，并且这些声道流动速度结合起来以确定通过整个管道的平均流动速度。从平均流动速度可以确定在管段中流动的流体的量，并且因此可以确定在管线中流动的流体的量。
[0034]通常，控制电子器件124使换能器(例如112、114)发射输出信号并且从换能器接收输出信号。控制电子器件124还可以算出每个声道的平均流动速度，算出流量计的平均流动速度，算出通过流量计的体积流率，算出声音通过流体的速度，执行流量计诊断等。体积流速和可能的其他测量和算出的值——例如流速和声音的速度——可以输出至其他装置，例如流量处理器128。如上所述，在一些实施方式中，流动处理器128可以包含在控制电子器件124中。
[0035]对于所给定的声道，声道流动速度V被给定为:
【权利要求】
1.一种超声流动计量系统,包括: 用于流体流动的通道； 温度传感器，所述温度传感器布置成提供在所述通道中流动的流体的测量温度； 超声流量计，所述超声流量计构造成测量超声信号通过在所述通道中流动的所述流体的传送时间；以及 流动处理器，所述流动处理器构造成: 基于所述传送时间算出通过所述流体的声音速度； 基于所算出的声音速度计算所述流体的计算温度； 基于所述计算温度与所述测量温度之间的历史差将补偿应用于温度校验参数； 基于所述温度校验参数确定所述测量温度与所述计算温度之间的当前差是否在预定范围内。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述温度校验参数包括所述测量温度、所述计算温度、所述预定范围以及所述测量温度与所述计算温度之间的所述当前差中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述温度校验参数为所述计算温度和所述测量温度中的一者，并且所述流动处理器构造成: 通过基于所述历史差使所述计算温度和所述测量温度中的一者偏移而算出所述温度校验参数；并且 算出所述当前差作为所述计算温度和所述测量温度中的未经补偿的一者与所述温度校验参数之间的差。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述温度校验参数为所述预定范围以及所述计算温度与所述测量温度之间的差中的一者，并且所述流动处理器构造成: 通过基于所述历史差使所述预定范围和所述计算温度与所述测量温度之间的差中的一者偏移而算出所述温度校验参数； 算出所述当前差作为所述温度校验参数与所述历史差之间的差。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流动处理器还构造成算出所述历史差作为所述系统的安装位置所独有的值。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流动处理器还构造成算出所述历史差作为一段时间内的所述计算温度与所述测量温度之间的平均差。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流动处理器还构造成算出所述历史差作为所述计算温度与所述测量温度之间的瞬时差。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流动处理器还构造成算出所述历史差作为多个不同值，每个不同值与给定温度范围内的所述计算温度与所述测量温度之间的差相对应。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流动处理器构造成基于所述当前差未落入所述预定范围内而发出警报。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流动处理器构造成: 算出基于所述历史差对所述计算温度进行偏移的所述流体的补偿温度；并且 基于所述补偿温度确定流动通过所述通道的流体体积。
11.一种用于超声计量中的温度补偿的方法，包括: 测量流动通过超声流量计的流体流的温度； 测量超声信号通过所述流体流的传送时间； 基于所述传送时间计算所述流体流的计算温度； 确定所述测量温度与所述计算温度之间的给定差是否在预定范围内；并且在所述确定之前，基于所述计算温度与所述测量温度之间的历史差对所述测量温度、所述计算温度、所述预定范围以及所述给定差中的至少一者进行补偿。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述确定包括: 算出基于所述历史差对所述计算温度与所述测量温度中的一者进行偏移的所述流体流的补偿温度； 确定所述给定差为所述计算温度和所述测量温度中的未经补偿的一者与所述补偿温度的差；并且 基于所述给定差未落入所述预定温度校验范围内而产生警报。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述确定包括: 基于所述历史差通过使所述预定范围偏移来补偿所述预定范围； 确定所述给定差为所述计算温度和所述测量温度之间的差；并且 基于所述给定差未落入经补偿的预定范围内而产生警报。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括算出所述历史差作为如下项中的至少一者: 一段时间内的所述计算温度与所述测量温度之间的平均差； 所述计算温度与所述测量温度之间的瞬时差；以及 多个不同值，每个不同值与给定温度范围内的所述计算温度与所述测量温度之间的差相对应。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括: 算出基于所述历史差对所述计算温度进行偏移的所述流体流的补偿温度；并且 基于所述补偿温度确定所述流体流的体积。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括基于在测量所述流体流的超声计量系统的安装位置处所获得的测量温度和计算温度算出所述历史差。
17.一种流动处理器，包括: 温度推导引擎，所述温度推导引擎构造成基于声音通过流体流的测量速度计算所述流体流的计算温度； 温度校验引擎，所述温度校验引擎构造成确定所述流体流的所述计算温度与测量温度的当前差是否在预定校验范围内；以及 温度补偿引擎，所述温度补偿引擎构造成: 基于所述计算温度与所述测量温度之间的历史差确定补偿值；并且将所述补偿值应用于下述项中的至少一者以便由所述温度校验引擎所使用:所述测量温度、所述计算温度、所述预定校验范围以及所述当前差。
18.根据权利要求17所述的流动处理器，其中: 所述补偿引擎构造成算出根据所述历史差对所述计算温度与所述测量温度中的一者进行偏离的所述流体流的补偿温度；并且所述温度校验引擎构造成: 算出所述当前差作为所述测量温度和所述计算温度中的未经补偿的一者与所述补偿温度之间的差；并且 基于所述当前差未落入所述预定校验范围内而产生警报。
19.根据权利要求17所述的流动处理器，其中: 所述补偿引擎构造成通过基于所述历史差使所述预定校验范围偏离来补偿所述预定校验范围；并且 所述温度校验引擎构造成: 算出所述当前差作为所述计算温度与所述测量温度之间的差；并且 基于所述当前差未落入经补偿的预定校验范围内而产生警报。
20.根据权利要求17所述的流动处理器，其中，所述校验范围确定引擎构造成算出所述历史差作为下述项中的至少一者: 一段时间内的所述计算温度与所述测量温度之间的平均差； 所述计算温度与所述测量温度之间的瞬时差；以及 多个不同值，每个不同值与给定温度范围内的所述计算温度与所述测量温度之间的差相对应。
21.根据权利要求17所述的流动处理器，其中，所述补偿引擎构造成算出根据所述历史差对所述计算温度进行偏离的所述流体流的补偿温度；并且其中，所述流动处理器还包括流动体积计算引擎，所述流动体积计算引擎构造成基于所述补偿温度来确定所述流体流的体积。
22.根据权利要求17所述的流动处理器，其中，所述温度校验引擎构造成基于所述当前差未落入所述预定校验范围内而产生警报。
23.—种超声流动计量系统,包括: 用于流体流动的通道； 超声流量计，所述超声流量计构造成测量超声信号通过流体的传送时间；以及 流动处理器，所述流动处理器构造成: 基于所述传送时间算出通过所述流体的声音速度； 基于所述声音速度计算所述流体的计算温度； 基于所述计算温度与测量温度之间的历史差将补偿应用于所述计算温度从而产生经补偿的计算温度；并且 基于所述经补偿的计算温度来确定通过所述通道的流体积。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述系统缺少用于测量所述流体的温度的温度传感器。
25.根据权利要求23所述的系统，其中，所述流动处理器构造成基于所述经补偿的计算温度而不是基于由温度传感器提供的流体温度的相应测量结果来确定流体积。
【文档编号】G01F1/66GK104136891SQ201380004083
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2012年9月7日
【发明者】劳森·拉姆齐 申请人:丹尼尔测量和控制公司