СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИТИНГА ДИАФРАГМЕННОГО РАСХОДОМЕРА

[0001] Настоящая заявка притязает на преимущество патентной заявки США №13/676,287, которая была подана 14 ноября 2012 и поименована "Система и способ ультразвукового измерения с использованием фитинга диафрагменного расходомера" (System and Method for Ultrasonic Metering Using an Orifice Meter Fitting), и которая полностью включена в настоящую заявку посредством ссылки.

ЗАЯВЛЕНИЕ ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ ИЛИ РАЗРАБОТКИ, СОЗДАННЫХ ЗА СЧЕТ ФЕДЕРАЛЬНОГО БЮДЖЕТА

[0002] Не применимо

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0003] Настоящее изобретение в общем относится к измерению расхода текучей среды, протекающей через секцию трубопровода. В частности, настоящее изобретение относится к модернизации диафрагменного расходомера для приема и измерения расхода с использованием ультразвуковых или оптических способов измерения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0004] При эксплуатации трубопровода и в других случаях промышленного применения расходомеры используют для измерения объемного расхода газообразной или жидкой текучей среды, перемещающейся через секцию трубопровода. Часто необходимо знать точную величину текучей среды, протекающей в потоке, и особенная точность требуется, когда текучая среда переходит к другому владельцу, или во время "передачи владения". Однако даже в случае, когда передача владения не осуществляется, точность измерения является желательной.

[0005] В продаже имеются различные расходомеры для измерения расхода текучей среды в секции трубопровода. Один из наиболее распространенных расходомеров представляет собой диафрагменный расходомер, который измеряет давление с обеих сторон диафрагмы, проходящей поперек потока, для определения расхода текучей среды, протекающей через секцию трубопровода. Измерители других типов содержат ультразвуковые и оптические измерители, в которых используются ультразвуковые акустические сигналы и световые лучи соответственно для измерения расхода текучей среды, протекающей в заданном трубопроводе секции.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В настоящей заявке описаны устройство и способ использования тела диафрагменного расходомера для выполнения ультразвукового и оптического измерения. Согласно одному варианту реализации расходомер содержит тело диафрагменного фитинга. Тело диафрагменного фитинга содержит корпус, канал для протекания потока текучей среды и множество выпускных отверстий. Корпус выполнен с возможностью размещения в нем диафрагмы. Расходомер также содержит первый ультразвуковой преобразователь, расположенный в первом из указанного множества выпускных отверстий. Первый ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью генерировать и принимать акустический сигнал.

[0007] Некоторые варианты реализации относятся к расходомеру, который содержит тело диафрагменного фитинга. Тело диафрагменного фитинга содержит корпус, канал для протекания потока текучей среды, и множество выпускных отверстий. Расходомер дополнительно содержит первый ультразвуковой преобразователь, расположенный в первом из указанного множества выпускных отверстий, и второй ультразвуковой преобразователь, расположенный во втором из указанного множества выпускных отверстий. Корпус выполнен с возможностью размещения в нем диафрагмы, и при этом диафрагма не установлена внутри корпуса. Каждый из первого и второго ультразвуковых преобразователей выполнен с возможностью генерировать и принимать акустический сигнал.

[0008] Другие варианты реализации относятся к способу модернизации диафрагменного расходомера. Способ включает этапы, согласно которым обеспечивают тело диафрагменного фитинга, имеющего отверстие, диафрагму, множество выпускных отверстий и множество датчиков давления, установленных в указанном множестве выпускных отверстий. Кроме того, способ включает удаление диафрагмы и множества датчиков давления из тела диафрагменного фитинга и установку множества преобразователей во множество выпускных отверстий. По меньшей мере один из множества преобразователей выполнен с возможностью генерировать сигнал, и по меньшей мере один из множества преобразователей выполнен с возможностью принимать сигнал. Способ дополнительно включает измерение расхода текучей среды, протекающей через канал, на основании выходного сигнала множества преобразователей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] Для подробного описания вариантов реализации настоящего изобретения сделана ссылка на сопроводительные чертежи, на которых:

[0010] фиг. 1 показывает боковой вид в разрезе диафрагменного расходомера;

[0011] фиг. 2 показывает вид спереди в разрезе диафрагменного расходомера;

[0012] фиг. 3 показывает боковой вид в разрезе ультразвукового расходомера;

[0013] фиг. 4 показывает блок-схему способа преобразования диафрагменного расходомера в ультразвуковой или оптический измеритель в соответствии с принципами, описанными в настоящей заявке;

[0014] фиг. 5 схематически показывает вид сверху в разрезе иллюстративного варианта реализации диафрагменного расходомера, выполненного с возможностью осуществления ультразвукового измерения потока в соответствии с принципами, описанными в настоящей заявке;

[0015] На фиг. 6 схематически показан вид сверху в разрезе другого иллюстративного варианта реализации диафрагменного расходомера, выполненного с возможностью осуществления ультразвукового измерения потока в соответствии с принципами, описанными в настоящей заявке; и

[0016] На фиг. 7 схематически показан вид сверху в разрезе иллюстративного варианта реализации диафрагменного расходомера, выполненного с возможностью осуществления оптического измерения потока в соответствии с принципами, описанными в настоящей заявке.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] Следующее описание относится к различным вариантам реализации настоящего изобретения. Эти варианты реализации являются только примерами и не должны интерпретироваться или использоваться иным способом в качестве ограничения объема защиты настоящего изобретения, включая пункты приложенной формулы. Кроме того, для специалиста очевидно, что следующее описание имеет широкое применение, и описание любого варианта реализации предназначено для использования только в качестве примера этого варианта реализации и не является свидетельством того, что объем защиты настоящего изобретения, включая пункты приложенной формулы, ограничен этим вариантом реализации.

[0018] Используемый в настоящей заявке термин "приблизительно" означает "плюс или минус 10%".

[0019] Некоторые термины, используемые в следующем описании и пунктах приложенной формулы, относятся к отличительным особенностям или компонентам. Фигуры чертежей не обязательно выполнены в масштабе. Некоторые особенности и компоненты, описанные в настоящей заявке, могут быть показаны в увеличенном масштабе или схематично, а некоторые детали традиционных элементов могут быть не показаны в интересах ясности и краткости.

[0020] В следующем описании и пунктах приложенной формулы термины "включающий" и "содержащий" используются в неограничивающем смысле и, таким образом, должны интерпретироваться как "включая, помимо прочего". Кроме того, термин "соединение" или "соединения" означает косвенное или прямое соединение. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, то соединение может быть прямым соединением или косвенным соединением, достигнутым посредством других устройств, компонентов и соединений. Кроме того, используемые в настоящей заявке термины "осевой" и "в осевом направлении" в целом означают вдоль или параллельно данной оси (например, центральной оси тела или прохода), в то время как термины "радиальный" и "в радиальном направлении" в целом означают перпендикулярно данной оси. Например, осевое расстояние относится к расстоянию, измеренному вдоль или параллельно данной оси, и радиальное расстояние означает, что расстояние измерено перпендикулярно данной оси.

[0021] Диафрагменный расходомер содержит диафрагменный фитинг, который имеет датчики давления, размещенные с обеих сторон диафрагмы, для измерения расхода текучей среды, протекающей через секцию трубопровода. Диафрагменные расходомеры в настоящее время используются в секциях различных трубопроводов во всем мире, особенно в коммерческих узлах передачи владения между различными сторонами. Для использования обновленных способов измерения расхода текучей среды в одной из множества секций трубопровода, в которых в настоящее время используются диафрагменные расходомеры, необходимо удалить диафрагменный расходомер и установить новый измерительный фитинг. Однако удаление диафрагменного фитинга и установка заменяющего фитинга, в котором использована усовершенствованная технология, может оказаться неоправданном дорогим как в отношении оборудования, так и в отношении трудозатрат, связанных с такой операцией.

[0022] Варианты реализации настоящего изобретения обеспечивают способ усовершенствования существующих диафрагменных расходомеров для использования более новых технологий без больших затрат, связанных с полной установкой новой измерительной системы. В описанных ниже вариантах реализации предусмотрен способ модернизации диафрагменного расходомера, обеспечивающий внедрение усовершенствованных способов измерения, таких как ультразвуковое и оптическое измерение.

[0023] На фиг. 1 и 2 показаны в разрезе виды сбоку и спереди диафрагменного расходомера 10 соответственно. Диафрагменный расходомер 10 в целом содержит тело 12, центральную продольную ось 13, центральный канал 14 для потока, который концентрически выровнено относительно оси 13 и имеет внутреннюю стенку 120, корпус 20 диафрагмы, держатель 21 диафрагмы, диафрагму 16, поддерживаемую держателем 21, и множество выпускных отверстий 18 с множеством установленных в них датчиков 17 давления. Расходомер 10 также содержит фланец 11 для соединения тела 12 с существующей секцией трубопровода (не показана) таким образом, что центральный канал 14 для потока выровнено с центральным каналом секции трубопровода (не показана). Диафрагма 16 имеет центральное отверстие 19, расположенное внутри центрального канала 14 в теле 12 таким образом, что отверстие 19 в целом является концентрическим относительно оси 13. Размер отверстия 19 предпочтительно меньше чем внутренний диаметр центрального канала 14. В корпусе 20 диафрагменного фитинга размещена диафрагма 16, которая зафиксирована внутри тела 12 посредством держателя 21, содержащего уплотнение 22, которое ограничивает поток вокруг наружных краев диафрагмы 16. Согласно одному варианту реализации, показанному на чертежах, уплотнение 22 содержит эластомерный материал. Согласно другим вариантам реализации уплотнение 22 может быть выполнено из металла. Кроме того, несмотря на то, что диафрагменный расходомер 10 показан и описан как являющийся однокамерным диафрагменным фитингом, следует понимать, что могут быть использованы другие типы диафрагменных фитингов, такие как, например, двухкамерные диафрагменные фитинги, также действующие в соответствии с принципами, описанными в настоящей заявке.

[0024] Во время работы текучая среда в газообразном или жидком состоянии протекает в центральный канал 14 для потока и нагнетается сквозь отверстие 19 в диафрагме 16. По закону непрерывности и сохранения энергии скорость текучей среды увеличивается, когда поток перемещается сквозь отверстие 19. Такое увеличение скорости потока также создает перепад давлений в текучей среде поперек отверстия 19. Датчики 17 давления, установленные в выпускные отверстия 18, считывают значения давления на расположенных выше по ходу потока и ниже по ходу потока сторонах диафрагмы 16, и затем отдельная система для расчета расхода (не показана) рассчитывает объемный расход на основании измеренного перепада давления.

[0025] На фиг. 3 показан в разрезе ультразвуковой расходомер 300. Как и в случае диафрагменного расходомера 10, показанного на фиг. 1 и 2, ультразвуковой расходомер 300 содержит тело 302 и центральный канал 304 для потока, через который протекает измеряемая текучая среда. Ультразвуковые преобразователи 312, 314 генерируют и принимают акустические сигналы 320, в целом имеющие частоту выше 20 кГц. Акустические сигналы могут генерироваться и приниматься пьезоэлектрическим элементом, размещенным в каждом преобразователе 312, 314. Для генерирования ультразвукового сигнала пьезоэлектрический элемент электрически стимулируют посредством сигнала (например синусоидального сигнала), и элемент в ответ вибрирует. Вибрация пьезоэлектрического элемента генерирует акустический сигнал, который распространяется в измеряемой текучей среде в направлении к соответствующему узлу преобразователя этой пары. Схожим образом, под воздействием акустического сигнала, принимающий пьезоэлектрический элемент вибрирует и генерирует электрический сигнал (например синусоидальный сигнал), который обнаруживается, оцифровывается и анализируется системой для расчета потока (не показана), связанной с расходомером 300.

[0026] Путь 350, также называемый "хордой", проходит между показанными на чертеже узлами 312 и 314 преобразователей под углом в относительно центральной оси 313. Длина хорды 350 является расстоянием между поверхностью узла 312 преобразователя и поверхностью узла 314 преобразователя. Точки 308 и 306 образуют места, в которых акустические сигналы (например сигнал 320), генерируемые узлами 312 и 314 преобразователей, входят в текучую среду и выходят из текучей среды, протекающей через тело 302, соответственно (т.е. вход в центральный канал 304 для потока). Положение узлов 312 и 314 преобразователя может быть определено углом θ, первой длиной L, измеренной между поверхностями узлов 312 и 314 преобразователя, второй длиной X, соответствующей осевому расстояния между точками 308 и 306, и третьей длиной d, соответствующей диаметру центрального канала 304. В большинстве случаев расстояния d, X и L точно заданы во время изготовления расходомера. Измеряемая текучая среда, такая как газ или жидкость, протекает в направлении 312 с профилем 310 скоростей. Векторы 322, 324, 326 и 328 скоростей показывают, что скорость потока через тело 302 повышается к центральной оси 313 тела 302.

[0027] Первоначально, расположенный ниже по ходу потока узел 312 преобразователя генерирует ультразвуковой сигнал, который достигает расположенного выше по ходу потока узла 314 преобразователя и, таким образом, обнаруживается этим преобразователем. Некоторый период времени спустя расположенный выше по ходу потока узел 314 преобразователя генерирует возвратный ультразвуковой сигнал, который достигает расположенного ниже по ходу потока узла 312 преобразователя и, таким образом, обнаруживается этим преобразователем. Таким образом, преобразователи обмениваются ультразвуковыми сигналами 320 или реализуют способ ультразвукового контроля раздельными преобразователями с использованием ультразвуковых сигналов 320, распространяющихся вдоль хордального пути 350. Во время работы эта последовательность может происходить несколько тысяч раз в минуту.

[0028] Время пробега ультразвукового сигнала 320 между показанными на чертеже узлами 312 и 314 преобразователя частично зависит от направления распространения ультразвукового сигнала 320, т.е. по ходу потока или против хода потока относительно потока текучей среды. Время пробега ультразвукового сигнала, распространяющегося по ходу потока (т.е. в том же самом направлении 312, что и поток текучей среды), меньше чем время пробега при распространении сигнала против хода потока (т.е., против потока текучей среды). Времена пробега по ходу потока и против хода потока могут быть использованы для вычисления средней скорости вдоль пути сигнала и скорости звука в измеряемой текучей среде. С учетом поперечных размеров расходомера 300, через который перемещается текучая среда, средняя скорость сквозь площадь центрального канала 304 может быть использована для определения объема текучей среды, протекающей через тело 302.

[0029] Согласно другим вариантам реализации ультразвукового расходомера, для определения скорости текучей среды, протекающей в центральном канале 304, измеряют Доплеровское смещение. В таких ультразвуковых измерителях передающий ультразвуковой преобразователь генерирует ультразвуковой сигнал с известным спектром частот. Ультразвуковой сигнал проходит сквозь текучую среду, протекающую в измерителе по направлению к принимающему ультразвуковому преобразователю. Спектр частот ультразвукового сигнала изменяется при взаимодействии с потоком текучей среды, в которой распространяется сигнал. Ультразвуковой сигнал может проходить непосредственно между преобразователями или может быть отражен от стенок канала измерителя. Спектр частот принятого ультразвукового сигнала анализируют посредством присоединенной системы для расчета потока, и скорость текучей среды, протекающей сквозь центральный канал 304, определяют на основании изменения спектра частот принятого ультразвукового сигнала относительно спектра частот переданного ультразвукового сигнала. В некоторых таких ультразвуковых измерителях скорость потока определяют на основании величины Доплеровского смещения, измеренного для ультразвуковых сигналов, распространяющихся по ходу потока и против хода потока.

[0030] Расходомеры согласно вариантам реализации, описанным в настоящей заявке, содержат тело диафрагменного фитинга и применяют ультразвуковые или оптические способы измерения потока текучей среды. На фиг. 4 показана блок-схема способа 400 модернизации диафрагменного расходомера для использования ультразвуковых или оптических способов измерения. Не смотря на то, что этапы способа показаны последовательно в определенном порядке, по меньшей мере некоторое из показанных операций могут быть выполнены в другом порядке и/или выполнены параллельно. Кроме того, согласно некоторым вариантам реализации способ может включать только некоторые из показанных этапов. Этапы способа 400 могут быть выполнены без удаления тела диафрагменного расходомера из трубопровода или другой среды измерения потока, в которой установлен диафрагменный расходомер.

[0031] Соответственно, на этапе 402 обеспечивают диафрагменный расходомер. Согласно некоторым вариантам реализации диафрагменный расходомер может быть расположен с возможностью измерения потока текучей среды. Для модернизации диафрагменного расходомера в ультразвуковой или оптический на этапе 404 удаляют диафрагму из тела диафрагменного фитинга. На этапе 406 отсоединяют датчики давления диафрагменного расходомера и связанные с ними измерительные системы от тела диафрагменного расходомера путем удаления датчиков и/или датчиков давления из выпускных отверстий. На этапе 408 в выпускные отверстия вместо датчиков давления устанавливают ультразвуковые или оптические преобразователи, укладывают соответствующие линии управления преобразователями и соединяют преобразователи с системами для измерения сигналов, расположенными снаружи тела диафрагменного расходомера. Управляющие и сигнальные измерительные системы могут принудить преобразователи генерировать сигналы, которые распространяются в перемещающемся потоке текучей среды в теле диафрагменного расходомера, и на этапе 410 могут определить скорость и/или объем потока текучей среды на основании сигналов, принятых преобразователями.

[0032] На фиг. 5 показан в разрезе вид сверху иллюстративного варианта реализации диафрагменного расходомера 100, выполненного с возможностью осуществления ультразвукового измерения потока. Расходомер 100 содержит тело 12 диафрагменного расходомера, которое имеет центральный канал 14 для потока и внутреннюю стенку 120, как показано на фиг. 1 и 2; но диафрагма 16 и датчики 17 давления удалены. Вместо этого в выпускных отверстиях 18 установлены пара ультразвуковых преобразователей 105. Все остальные выпускные отверстия 18, в которых не установлен ультразвуковой преобразователь 105, могут быть закрыты таким образом, что во время работы текучая среда не вытекает из указанных выпускных отверстий 18.

[0033] Согласно одному варианту реализации, показанному на фиг. 5, ультразвуковые преобразователи 105 размещены на противоположных сторонах тела 12 измерителя. Преобразователи 105 могут содержать наклонные поверхности 103, ориентированные параллельно друг другу и в целом выровненные относительно друг друга. Кроме того, каждый из ультразвуковых преобразователей 105 выполнен с возможностью генерировать и принимать акустический сигнал, который направлен через центральный канал 14 тела 12. Кроме того, как схематично показано на фиг. 5, ультразвуковые преобразователи 105 также соединены кабелями 107 с системой 130 для расчета потока. При использовании ультразвуковые преобразователи обмениваются ультразвуковыми сигналами 109. Сигналы 109 посредством кабелей 107 передают в систему 130 для расчета потока, и на основании времен пробега ультразвуковых сигналов вычисляют расход текучей среды. Согласно некоторым вариантам реализации расходомера, как показано на фиг. 5, скорость потока и расход текучей среды, протекающей через центральный канал 14, могут быть определены на основании Доплеровского смещения переданных ультразвуковых сигналов. Кроме того, следует отметить, что согласно другим вариантам реализации расход текучей среды может быть вычислен с использованием других принципов, остающихся в рамках соответствия основным принципам настоящего изобретения.

[0034] На фиг. 6 в разрезе показан вид сверху иллюстративного варианта реализации диафрагменного расходомера 200, выполненного с возможностью осуществления ультразвукового измерения потока. Расходомер 200 содержит тело 12 диафрагменного расходомера, которое имеет центральный канал 14 для потока и внутреннюю стенку 120, как показано на фиг. 1 и 2; а диафрагма 16 и датчики 17 давления удалены. Вместо этого в выпускных отверстиях 18 установлены пара ультразвуковых преобразователей 115. Все остальные выпускные отверстия 18, в которых не установлен ультразвуковой преобразователь 115, могут быть закрыты таким образом, что во время работы текучая среда не может вытекать из указанных выпускных отверстий 18.

[0035] Согласно одному варианту реализации, показанному на фиг. 6, ультразвуковые преобразователи 115 расположены на той же самой стороне тела 12 диафрагменного расходомера, и каждый из них выполнен с возможностью генерировать и принимать ультразвуковой акустический сигнал 119, который распространяется в потоке текучей среды, протекающей через центральный канал 14, и отражается от внутренней стенки 120 центрального отверстия 14. Кроме того, как схематично показано на фиг. 6, ультразвуковые преобразователи 115 также соединены посредством кабелей 117 с системой 131 для расчета потока. При использовании, ультразвуковые преобразователи 115 обмениваются ультразвуковыми сигналами 119, которые отражаются от внутренней стенки 120. Сигналы 119 посредством кабелей 117 передаются системе 131 для расчета потока, и на основании отраженных ультразвуковых сигналов 119 вычисляют расход текучей среды. Согласно некоторым вариантам реализации скорость потока текучей среды, объем, и т.п. могут быть определены на основании Доплеровского смещения отраженных ультразвуковых сигналов 119. Согласно некоторым вариантам реализации расходомера, показанного на фиг. 4, скорость потока и расход текучей среды, протекающей через центральный канал 14, могут быть определены на основании времен пробега ультразвуковых сигналов. Кроме того, согласно некоторым вариантам реализации, в одно из множества выпускных отверстий 18 установлен только одиночный ультразвуковой преобразователь таким образом, что ультразвуковой сигнал генерируется одиночным преобразователем, отражается от внутренней стенки корпуса измерителя и принимается тем же самым преобразователем. Кроме того, следует понимать, что согласно другим вариантам реализации вычисление расхода текучей среды может быть осуществлено другими различными известными способами, остающимися в рамках соответствия основным принципам настоящего изобретения, описанного в настоящей заявке.

[0036] На фиг. 7 показан вид сверху в разрезе иллюстративного варианта реализации диафрагменного расходомера 400, выполненного с возможностью осуществления измерения потока оптическим способом. Расходомер 400 содержит тело 12 диафрагменного расходомера, которое имеет центральный канал 14 для потока и внутреннюю стенку 120, как показано на фиг. 1 и 2; однако диафрагменная стенка 16 и датчики 17 давления удалены. Вместо этого в выпускные отверстия 18 установлены генератор 125 светового луча (например лазерный диод и связанная с ним оптика) и оптический датчик 127. Остальные выпускные отверстия 18, в которых не установлены ни оптический генератор 125, ни оптический датчик 127, могут быть закрыты таким образом, что во время работы текучая среда не может вытекать из указанных выпускных отверстий 18.

[0037] Согласно одному варианту реализации, показанному на фиг. 7, генератор 125 светового луча и оптический датчик 127 расположены на противоположных сторонах тела 12 диафрагменного расходомера таким образом, что они являются выровненными относительно друг друга. Кроме того, как схематично показано на фиг. 7, генератор 125 светового луча и оптический датчик 127 также соединены посредством кабелей 129 с системой 132 для расчета потока. Согласно одному варианту реализации, показанному на чертеже, генератор 125 светового луча генерирует по меньшей мере два световых луча 135. Эти световые лучи 135 направлены через центральный канал 14 и принимаются оптическим датчиком 127. Оптический датчик 127 обнаруживает свет, отраженный частицами, находящимися в текучей среде, через которую проходят лучи 135. Разность в обнаружении частиц в каждом луче является показателем скорости текучей среды, проходящей через центральный канал 14. Сигналы от оптического генератора 125 и оптического датчика 127 посредством кабелей 129 передают системе 132 для расчета потока, и скорость текучей среды, протекающей через центральный канал 14, вычисляют на основании разности в синхронизации обнаружения частиц относительно различных световых лучей. Однако следует понимать, что согласно другим вариантам реализации расход может быть вычислен с использованием других различных известных способов, действующих в соответствии с принципами, описанными в настоящей заявке.

[0038] Не смотря на то, что выше в настоящей заявке описаны конкретные варианты реализации, они являются только примерами, следует понимать, что эти варианты реализации являются только иллюстрациями, и что объем защиты изобретения, заявленного в настоящей заявке, не ограничивается этими вариантами. Многочисленные изменения и модификации станут очевидными для специалистов, после ознакомления с приведенным выше описанием. Следует понимать, что пункты приложенной формулы должны быть интерпретированы как охватывающие все такие изменения и модификации.