Способ определения приближающегося отказа преобразователей, система определения приближающегося отказа преобразователей (варианты) и машиночитаемый носитель информации
Группа изобретений относится к автоматизации технологических процессов в расходомере, в частности к преобразователям расходомера. Технический результат заключается в повышении точности определения приближающегося отказа преобразователей. Он достигается тем, что предложены средства, обеспечивающие создание первого электрического сигнала, представляющего акустическую энергию, распространяющуюся между преобразователями первой пары преобразователей расходомера, создание второго электрического сигнала, представляющего акустическую энергию, распространяющуюся между преобразователями второй пары преобразователей расходомера, причем создание второго электрического сигнала выполняется по существу одновременно с созданием первого электрического сигнала, вычисление соотношения между параметром первого электрического сигнала и параметром второго электрического сигнала, и определение, на основании этого соотношения, не указывает ли работа первой пары преобразователей на приближение отказа по меньшей мере одного преобразователя первой пары преобразователей. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области преобразователей расходомера. Более конкретно, изобретение относится к вариантам системы и способу определения приближающегося отказа преобразователей и машиночитаемому носителю информации, который может использоваться для осуществления указанного способа и для работы указанных систем.
Уровень техники
После извлечения углеводородов из земли, поток текучей среды (например, сырая нефть и природный газ) транспортируется из одного пункта в другой по трубопроводам. Требуется точное знание количества текучей среды, проходящей в потоке, причем особенно высокая точность необходима, когда текучая среда переходит другому владельцу, т.е. происходит "прием-сдача" продукта. Для измерения количества протекающей в трубопроводе текучей среде могут быть использованы ультразвуковые расходомеры, которые обладают достаточной точностью для использования при приеме-сдаче продукта.
В ультразвуковом расходомере, для проведения измерения акустические сигналы направляются туда и обратно поперек потока текучей среды. На практике, многие ультразвуковые расходомеры содержат группу пар преобразователей (далее - преобразователи), при этом каждый преобразователь из пары преобразователей как посылает акустические сигналы, так и принимает акустическую энергию. Хотя в некоторых ситуациях один или оба преобразователя из пары преобразователей могут отказать внезапно, в большинстве случаев отказ преобразователя развивается во времени, с ухудшением рабочих характеристик преобразователя (а значит, и рассматриваемых вместе преобразователей, образующих пару), пока получаемой от пары преобразователей информации не окажется недостаточно. Например, ухудшение рабочих характеристик преобразователя может сопровождаться снижением отношения сигнал-шум в электрических сигналах, вырабатываемых в ответ на акустическую энергию, поступающую в преобразователь.
Факторы воздействия условий работы также влияют на качество работы преобразователей, даже и тогда, когда пара преобразователей функционирует надлежащим образом. В приведенном примере с отношением сигнал-шум, воздействие условий работы, например давления текучей среды в расходомере, типа текучей среды в расходомере, расположения клапана, относящегося к управляющим клапанам, расположенным выше по потоку, и состояния спрямителей потока, все влияет на отношение сигнал-шум. Когда ухудшение работы отмечается в течение нескольких дней, недель или месяцев, трудно определить, связано ли это ухудшение с наступающим отказом преобразователей либо это следствие воздействий факторов, обусловленных условиями работы.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение описывает способ определения приближающегося отказа преобразователей, включающий создание первого электрического сигнала, представляющего собой акустическую энергию, распространяющуюся между первой парой преобразователей расходомера, создание второго электрического сигнала, представляющего собой акустическую энергию, распространяющуюся между второй парой преобразователей расходомера, которое осуществляют по существу одновременно с созданием первого электрического сигнала, вычисление соотношения между параметром первого электрического сигнала и параметром второго электрического сигнала и определение приближающегося отказа по меньшей мере одного преобразователя из первой пары преобразователей по ее работе, посредством вычисленного соотношения. При вычислении указанного соотношения дополнительно могут определять разность между отношением сигнал-шум первого электрического сигнала и по меньшей мере частичным отношением сигнал-шум второго электрического сигнала, а при определении приближающегося отказа дополнительно могут оценивать указанное соотношение по отношению к заданному пороговому значению. Способ может дополнительно включать создание третьего электрического сигнала, представляющего собой акустическую энергию, распространяющуюся между третьей парой преобразователей, а при вычислении указанного соотношения дополнительно могут вычислять разность между отношением сигнал-шум первого электрического сигнала и наибольшим отношением сигнал-шум, выбранным из группы, включающей отношение сигнал-шум первого электрического сигнала, отношение сигнал-шум второго электрического сигнала или отношение сигнал-шум третьего электрического сигнала. Также при вычислении указанного соотношения дополнительно могут вычислять отношение параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого электрического сигнала, к параметру, пропорциональному амплитуде сигнала второго электрического сигнала, а при определении приближающегося отказа дополнительно могут оценивать указанное соотношение по отношению к заданному пороговому значению. Кроме того, способ может дополнительно включать создание третьего электрического сигнала, представляющего собой акустическую энергию, распространяющуюся между третьей парой преобразователей, а при вычислении указанного соотношения дополнительно могут вычислять отношение параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого электрического сигнала, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального наибольшему значению, выбранному из группы, включающей амплитуду сигнала первого электрического сигнала, амплитуду сигнала второго электрического сигнала и амплитуду сигнала третьего электрического сигнала, являющегося числителем. При вычислении указанного соотношения дополнительно могут вычислять отношение параметра, пропорционального амплитуде шума первого электрического сигнала, к параметру, пропорциональному амплитуде шума второго электрического сигнала, а при определении приближающегося отказа дополнительно могут оценивать указанное соотношение по отношению к заданному пороговому значению. Также способ может дополнительно включать создание третьего электрического сигнала, представляющего собой акустическую энергию, распространяющуюся между третьей парой преобразователей, а при вычислении указанного соотношения дополнительно могут вычислять отношение параметра, пропорционального амплитуде шума первого электрического сигнала, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального средней амплитуде шума первого, второго и третьего электрических сигналов, являющегося числителем. При создании первого и второго электрических сигналов дополнительно могут создавать первый электрический сигнал в течение одной секунды совместно со вторым электрическим сигналом.
Также настоящее изобретение описывает систему определения приближающегося отказа преобразователей, включающую расходомер, корпус расходомера, определяющий центральный канал и связанный с трубопроводом, по которому протекает текучая среда, группу пар преобразователей, связанных с корпусом, процессор, электрически связанный с группой пар преобразователей, и запоминающее устройство, связанное с процессором и хранящее программу, выполняемую процессором, при этом процессор выполнен с возможностью по существу одновременного получения для каждой пары преобразователей из группы преобразователей представления акустической энергии, принимаемой по меньшей мере одним преобразователем из пары преобразователей, вычисления соотношения между параметром первого представления, связанного с первой парой преобразователей из группы, и по меньшей мере одним другим представлением и определения приближающегося отказа по работе первой пары преобразователей, посредством вычисленного соотношения. Процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как разности между отношением сигнал-шум для первого представления и по меньшей мере частичным отношением сигнал-шум для по меньшей мере одного другого представления, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Также процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как разности между отношением сигнал-шум для первого представления и наибольшим отношением сигнал-шум, выбранным из других представлений, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Процессор дополнительно может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого представления, и параметра, пропорционального амплитуде сигнала по меньшей мере одного другого представления, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Дополнительно процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения, как отношения параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого представления, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального наибольшему сигналу, выбранному из других представлений, являющегося числителем, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Кроме того, процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде шума первого представления, и параметра, пропорционального амплитуде шума по меньшей мере одного другого представления, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Также процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде шума первого представления, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального наибольшей амплитуде шума, выбранной из других представлений, являющегося числителем, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Процессор может быть выполнен с возможностью получения представления друг от друга в течение одной секунды.
Дополнительно изобретение описывает машиночитаемый носитель информации, на котором хранится программа для процессора, выполненного с возможностью получения, в течение измерительного периода, для каждой пары преобразователей группы пар преобразователей, параметра акустической энергии, принимаемого по меньшей мере одним преобразователем из пары, вычисления соотношения между первым параметром, связанным с первой парой преобразователей из группы пар преобразователей, и по меньшей мере одним другим параметром и определения приближающегося отказа по меньшей мере одного преобразователя из первой пары преобразователей по ее работе, посредством вычисленного соотношения. Также процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как разности между отношением сигнал-шум для первого представления и отношением сигнал-шум, основанным на по меньшей мере одном другом представлении, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Кроме того, процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как разности между параметром, являющимся отношением сигнал-шум для первого представления, и параметром, являющимся наибольшим отношением сигнал-шум, выбранным из других представлений, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Также процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого представления, и параметра, пропорционального амплитуде сигнала по меньшей мере одного другого представления, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Процессор дополнительно может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого представления, и параметра, пропорционального наибольшей амплитуде сигнала, выбранной из других представлений, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Также процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде шума первого представления, и параметра, пропорционального амплитуде шума по меньшей мере одного другого представления, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде шума первого представления, и параметра, пропорционального наибольшей амплитуде шума, выбранной из других представлений, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению. Кроме того, процессор может быть выполнен с возможностью получения представлений друг от друга в течение одной секунды.
Еще один вариант настоящего изобретения описывает систему определения приближающегося отказа преобразователей, включающую расходомер, снабженный группой пар преобразователей, процессор, запоминающее устройство, связанное с процессором и хранящее программу, исполняемую процессором, и коммуникационный порт, связанный с процессором, при этом процессор выполнен с возможностью приема измеренных расходомером величин потока текучей среды, поддержания промежуточной суммы потока текучей среды через расходомер за заданный промежуток времени, получения для каждой пары преобразователей из группы параметра акустической энергии, принятой по меньшей мере одним преобразователем из пары преобразователей, посредством коммуникационного порта, вычисления соотношения между первым параметром, связанным с первой парой преобразователей из группы, и по меньшей мере одним другим параметром и определения приближающегося отказа по меньшей мере одного преобразователя из первой пары преобразователей по ее работе, посредством вычисленного соотношения. Процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как разности между параметром, являющимся отношением сигнал-шум для первого представления, и параметром, являющимся отношением сигнал-шум, основанным на по меньшей мере одном другом представлении, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и определения превышения разностью заданного порогового значения. Также процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого представления, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального амплитуде сигнала по меньшей мере одного другого представления, являющегося числителем, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и определения превышения разностью заданного порогового значения. Дополнительно процессор может быть выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде шума первого представления, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального амплитуде шума по меньшей мере одного другого представления, являющегося числителем, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и определения превышения разностью заданного порогового значения.
Краткое описание чертежей
При подробном описании приведенных для иллюстрации изобретения его вариантов осуществления делаются ссылки на приложенные чертежи, на которых:
на Фиг.1 показан вид сбоку сечения расходомера, в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления изобретения;
на Фиг.2 показан вид сбоку на торец расходомера, в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления изобретения;
на Фиг.3 показан вид сверху расходомера, в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления изобретения;
на Фиг.4 показана электронная схема управления расходомером, в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления изобретения;
на Фиг.5 приведен пример электрического сигнала, характерного для принимаемой акустической энергии;
на Фиг.6 представлен способ, в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления изобретения;
на Фиг.7 представлен вычислитель расхода, в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
В приведенном описании используются определенные термины, которые относятся к конкретным компонентам системы. Специалисты знают, что компании, выпускающие измерительные инструменты, могут давать компонентам различные названия. В настоящем документе не делается различий между компонентами, отличающимися названиями, но не функциями.
В приведенном ниже рассмотрении и в формуле, термины "включающий" и "содержащий" используются в широком смысле и поэтому должны пониматься как "включающий, но не ограничивающийся этим…". Далее, термин "соединять" или "соединяет" подразумевает либо опосредованное, либо прямое соединение. То есть если первое устройство соединено со вторым устройством, это соединение может осуществляться путем прямого соединения или путем опосредованного соединения через другие устройства или соединения.
"Отказ" применительно к преобразователю или паре преобразователей должен означать либо переход в полностью неработоспособное состояние, либо ухудшение рабочих характеристик до уровня, где, при сохранении работоспособности, преобразователь или пара преобразователей не обеспечивают генерирование или прием акустического сигнала, пригодного для использования в ультразвуковом расходомере.
Различные варианты осуществления изобретения были разработаны на основе четырехканального или "четыреххордового" ультразвукового расходомера, и описание отчасти базируется на этих экспериментах. Однако описанные системы и способы могут быть использованы для или в любых многоканальных акустических расходомерах, и поэтому экспериментальный контекст работы и описание не должны восприниматься как ограничивающие область притязаний только четыреххордовыми ультразвуковыми расходомерами.
Различные варианты осуществления изобретения относятся к способам и системам определения в работе пары преобразователей признаков приближения их отказа. Это определение основано на параметрах генерируемой и принимаемой акустической энергии в по меньшей мере двух парах преобразователей, причем акустическая энергия принимается соответствующими преобразователями по существу одновременно (например, в пределах одного периода измерений). Другими словами, параметры, используемые для принятия решения, относятся к вырабатываемым акустическим сигналам или принимаемой акустической энергии разными парами преобразователей в пределах одного периода измерений (например, в течение одной секунды), в некоторых случаях с интервалом, измеряемым миллисекундами. Используя определение акустической энергии, принимаемой по существу одновременно, способы и системы не требуют сохранять прошлые числовые данные о работе преобразователей, благодаря чему снижается или вовсе исключается влияние воздействия условий работы на кажущееся функционирование преобразователей. Прежде чем перейти к подробному описанию различных вариантов осуществления изобретения, рассмотрим пример ультразвукового расходомера, в котором могут работать различные варианты осуществления изобретения.
На Фиг.1 показан ультразвуковой расходомер 101 для описания различных компонентов ультразвукового расходомера и их взаимодействия. Соединительный патрубок 100, пригодный для установки между секциями трубопровода, имеет заданные размеры и образует центральный канал, сквозь который протекает измеряемый поток текучей среды. Приведенная для примера пара преобразователей 120 и 130 и соответствующие им корпусы 125 и 135 расположены по длине соединительного патрубка 100. Преобразователи 120 и 130 представляют собой акустические приемопередатчики, в частности ультразвуковые передатчики, что означает, что они генерируют и принимают акустическую энергию на частотах более 20 кГц. Акустическая энергия может генерироваться и приниматься пьезоэлектрическим элементом, находящимся в каждом преобразователе. Для генерирования акустического сигнала, пьезоэлектрический элемент возбуждается электрическим синусоидальным сигналом, под воздействием которого он вибрирует. Вибрация пьезоэлектрического элемента создает акустические колебания, распространяющиеся через измеряемую текучую среду к соответствующему преобразователю пары преобразователей. Аналогично, при попадании на него акустической энергии (т.е. акустического сигнала и шумовых сигналов), приемный пьезоэлектрический элемент вибрирует и генерирует синусоидальный электрический сигнал, который детектируется, оцифровывается и анализируется электронной схемой, связанной с расходомером.
Между показанными для примера преобразователями 120 и 130 проходит под углом θ к средней линии 105 путь 110 распространения, иногда называемый "хордой". Длина "хорды" 110 представляет собой расстояние между торцом преобразователя 120 и торцом преобразователя 130. Точки 140 и 145 определяют места, где акустические сигналы, генерируемые преобразователями 120 и 130, входят в текучую среду, протекающую по соединительному патрубку 100, и выходят из него (т.е. вход в отверстие в соединительном патрубке). Расположение преобразователей 120 и 130 может быть определено углом θ, первой длиной L, измеренной между преобразователями 120 и 130, второй длиной X, соответствующей расстоянию вдоль оси между точками 140 и 145, и третьей длиной "d", соответствующей внутреннему диаметру трубопровода. В большинстве случаев, расстояния d, X и L точно определяются в процессе изготовления расходомера. Кроме того, преобразователи, например преобразователи 120 и 130, обычно располагаются на определенном расстоянии от точек 140 и 145, соответственно, вне зависимости от размеров расходомера (т.е. размера соединительного патрубка). Текучая среда, например природный газ, протекает в направлении 150 со скоростью, профиль которой изображен кривой 152. Векторы 153-158 скорости показывают, что скорость газа через соединительный патрубок 100 нарастает к средней линии 105 соединительного патрубка 100.
Вначале расположенный ниже по потоку преобразователь 120 генерирует акустический сигнал, который распространяется через текучую среду в соединительном патрубке 100, попадает на расположенный выше по потоку преобразователь 130 и детектируется им. Через короткое время (например, через несколько миллисекунд), расположенный выше по потоку преобразователь 130 генерирует ответный акустический сигнал, который распространяется обратно через текучую среду в соединительном патрубке 100, попадает на расположенный ниже по потоку преобразователь 120 и детектируется им. Таким образом, преобразователи 120 и 130 обмениваются сигналами 115 вдоль хордового пути 110. При работе, эта последовательность может повторяться тысячи раз в минуту.
Время распространения акустического сигнала 115 между преобразователями 120 и 130 зависит, отчасти, от того, в каком направлении распространяется этот сигнал относительно потока текучей среды - навстречу потоку или по потоку. Время распространения для акустического сигнала, распространяющегося по потоку (т.е. в одном направлении с потоком текучей среды), меньше времени распространения в направлении навстречу потоку (т.е. против движения потока текучей среды). Времена распространения навстречу потоку и по потоку могут быть использованы для вычисления средней скорости вдоль пути распространения сигнала и скорости звука в измеряемой текучей среде.
Ультразвуковые расходомеры могут иметь один или более путей распространения акустического сигнала. На Фиг.2 представлен вид сбоку на один из торцов многоканального ультразвукового расходомера. Ультразвуковой расходомер на Фиг.2 включает четыре хордовых пути А, В, С и D на разных уровнях внутри соединительного патрубка 100. Каждому хордовому пути A-D соответствует пара преобразователей, работающих поочередно как передатчик и приемник. Также показан электронный модуль 160, который получает и обрабатывает данные от четырех хордовых путей A-D распространения. Четыре пары преобразователей, соответствующие хордовым путям A-D, на Фиг.2 скрыты от наблюдателя.
Расположение четырех пар преобразователей можно проще объяснить по чертежу на Фиг.3. Четыре пары посадочных гнезд для преобразователей установлены на соединительном патрубке 100. Каждая пара посадочных гнезд для преобразователей на Фиг.2 соответствует одному хордовому пути. Первая пара посадочных гнезд 125 и 135 для преобразователей содержит преобразователи 120 и 130 (Фиг.1). Преобразователи устанавливаются под углом θ к средней линии 105 соединительного патрубка 100, отличающимся от прямого угла. Другая пара посадочных гнезд 165 и 175 для преобразователей (видны частично) и связанные с ними преобразователи установлены так, что их хордовый путь с большим интервалом образует форму "X" с хордовым путем посадочных гнезд 125 и 135 для преобразователей. Аналогично, посадочные гнезда 185 и 195 для преобразователей размещены параллельно посадочным гнездам 165 и 175, но на другом уровне (т.е. в другом радиальном положении в трубопроводе или соединительном патрубке расходомера). Не показана на Фиг.3 четвертая пара преобразователей и посадочных гнезд для преобразователей. Если рассматривать Фиг.2 и 3 совместно, то видно, что пары преобразователей расположены так, что верхние две пары преобразователей, соответствующие хордам А и В, образуют "X", и две нижние пары преобразователей, соответствующие хордам С и D, также образуют "X". Для каждой хорды A-D может быть определена скорость потока текучей среды для определения хордовых скоростей потока, а хордовые скорости потока, вместе взятые, определяют среднюю скорость потока по всему трубопроводу. На основании средней скорости потока, может быть определено количество текучей среды, протекающей в соединительном патрубке, а значит, и по трубопроводу.
На Фиг.4 показана электронная схема 200 управления ультразвуковым расходомером, в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления изобретения. Электронная схема 200 управления может располагаться в электронном модуле 160, показанном на Фиг.2, который может быть подсоединен к соединительному патрубку 100. В альтернативном варианте, электронный модуль 160 может быть с тем же успехом установлен вблизи (т.е. в пределах нескольких десятков сантиметров) соединительного патрубка. Электронная схема 200 управления включает процессор 202, соединенный с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 204, постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 206 и коммуникационным портом 208 (СОМ). Процессор 202 представляет собой устройство, исполняющее программы для выполнения задач различных вариантов осуществления. ПЗУ 206 представляет собой постоянную память, в которой хранятся программы операционной системы, а также программы для осуществления различных вариантов выполнения. ОЗУ 204 представляет собой оперативную память для процессора 202, и перед исполнением некоторые программы и/или структуры данных могут быть скопированы из ПЗУ 206 в ОЗУ 204. В альтернативных вариантах выполнения, доступ к некоторым программам и структурам данных может быть осуществлен непосредственно из ПЗУ 206. Коммуникационный порт 208 представляет собой механизм, посредством которого расходомер осуществляет связь с устройствами более высокого уровня, например вычислителями расхода (которые могут накапливать данные по измерениям потока текучей среды от нескольких расходомеров) и системой сбора данных. В то время как процессор 202, ОЗУ 204, ПЗУ 206 и коммуникационный порт 208 показаны как отдельные устройства, в альтернативных вариантах используются микроконтроллеры, в которых заключено ядро процессора, ОЗУ, ПЗУ и коммуникационные порты.
Процессор 202 также связан с несколькими устройствами и управляет ими для посылки и приема акустических сигналов через измеряемую текучую среду. В частности, процессор 202 соединен с возбудителем 210 преобразователя, приемником 212 и двумя мультиплексорами 214 и 216 посредством линий 218 и 220 управления, соответственно. В некоторых вариантах осуществления изобретения, возбудитель 210 преобразователя включает схему генератора и схему усилителя. В этих вариантах выполнения, возбудитель преобразователя вырабатывает исходный сигнал, усиливает сигнал до уровня, достаточного для приведения в действие преобразователя, и обеспечивает согласование импедансов с преобразователями. В других вариантах выполнения, возбудитель преобразователя получает сигнал переменного тока требуемой частоты от процессора 202, усиливает сигнал и обеспечивает согласование импедансов с преобразователями. Приемник 212 также может быть представлен в различных формах. В некоторых вариантах выполнения, приемник 212 представляет собой аналого-цифровой преобразователь, который преобразует создаваемый преобразователем аналоговый сигнал, характеризующий принимаемую акустическую энергию, в цифровую форму. В некоторых случаях, приемник 212 может фильтровать и/или усиливать сигналы перед оцифровкой или после нее. Цифровая версия принятого сигнала может быть затем передана к процессору 202 для определения параметров потока текучей среды и также для определения того, не происходит ли деградации одной или более пар преобразователей (подробно рассмотрено ниже).
Процессор 202, исполняя программу, избирательно управляет мультиплексорами 214 и 216 для подсоединения каждого преобразователя каждой пары 222 преобразователей к возбудителю 210 преобразователя (для возбуждения преобразователя для создания акустического сигнала) и к приемнику 212 (для приема электрического сигнала, создаваемого преобразователем в ответ на получение акустической энергии). В некоторых вариантах выполнения, процессор 202, в течение периода измерений продолжительностью в одну секунду, дает команду каждой паре преобразователей направить примерно 30 акустических сигналов в направлении навстречу потоку и 30 акустических сигналов в направлении по потоку. С равным успехом для каждой пары преобразователей могут быть использованы большие или меньшие группы акустических сигналов, направляемых навстречу потоку и по потоку, и более длинные или короткие периоды измерений.
Возвращаясь к Фиг.4, рассмотрим пару 222А преобразователей, представляющую все пары 222 (222А, 222В, 222С, 222D) преобразователей. В настоящем описании принято, что преобразователь 224 является преобразователем-передатчиком, а преобразователь 226 является преобразователем-приемником; однако в условиях реальной работы эти роли могут попеременно изменяться. Управляемый процессором 202, возбудитель 210 преобразователя подсоединен, посредством мультиплексоров 214 и 216, к преобразователю 224. Электрический сигнал, генерируемый и/или усиленный возбудителем 210 преобразователя, передается к пьезоэлектрическому элементу в преобразователь 224 и возбуждает его, а преобразователь 224, в свою очередь, генерирует акустический сигнал. Акустический сигнал пересекает промежуток между преобразователем 224 и преобразователем 226 в измеряемой текучей среде. Для удобства изображения, пара 222А преобразователей на Фиг.4 не выстроена по линии, но при эксплуатации пара преобразователей должна быть по существу коаксиальной, как это показано на Фиг.1. За время распространения акустического сигнала между преобразователем 224 и преобразователем 226, процессор 202 изменяет конфигурацию мультиплексоров 214 и 216 для подключения преобразователя 226 к приемнику 212. Преобразователь 226 принимает акустическую энергию (т.е. акустический сигнал и шумовые сигналы), и электрический сигнал, соответствующий принятой акустической энергии, передается к приемнику 212.
На Фиг.5 для обсуждения ряда важных параметров представлен принятый сигнал 300 как функция времени. В частности, принятый сигнал 300 представляет электрический сигнал, создаваемый преобразователем в ответ на акустическую энергию внутри текучей среды. Между промежутком времени, когда первый преобразователь пары преобразователей выдает акустический сигнал и когда акустический сигнал падает на второй преобразователь пары преобразователей, второй преобразователь генерирует шумовой сигнал 302. Как только акустический сигнал падает на преобразователь, преобразователь вырабатывает сигнал 304, амплитуда и длительность которого соответствуют амплитуде и длительности акустического сигнала, генерируемого первым преобразователем.
Шумовой сигнал 302 может быть, отчасти, обусловлен рассеянной акустической энергией в измеряемой текучей среде, а отчасти, степенью исправности пьезоэлектрического элемента в преобразователе. В частности, правильно функционирующий преобразователь создает шумовой сигнал 302, имеющий амплитуду 306, пропорциональную рассеянной акустической энергии в измеряемой текучей среде и также пропорциональную собственному электрическому шуму, создаваемому пьезоэлектрическим элементом и электронной схемой управления устройством. При некоторых видах неисправностей, амплитуда 306 шумового сигнала 302 возрастает в отсутствие соответствующего увеличения рассеянной акустической энергии. При неисправностях других видов, шумовая амплитуда 306 снижается без соответствующего уменьшения рассеянной акустической энергии.
Как видно на Фиг.5, правильно функционирующий преобразователь вырабатывает сигнал 304 с амплитудой 308, пропорциональной амплитуде акустического сигнала, падающего на преобразователь. Однако по мере того как снижается степень исправности преобразователя, принимающего акустическую энергию, амплитуда 308 сигнала 304 снижается без соответствующего уменьшения энергии акустического сигнала, создаваемого вторым преобразователем пары. Аналогично, по мере того как снижается степень исправности преобразователя, генерирующего акустическую энергию, падает амплитуда сигнала, возбуждаемого в текучей среде, и в результате падает амплитуда 308 сигнала 304. Таким образом, для пары преобразователей, низкая амплитуда 308 сигнала 304 может служить свидетельством предстоящего выхода из строя одного или обоих преобразователей пары.
В соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами выполнения, исправность или рабочие характеристики пары преобразователей могут быть определены по параметрам принятой акустической энергии от по меньшей мере двух пар преобразователей, при этом акустическая энергия принимается по существу одновременно (например, в пределах одного и того же измерительного периода). Перед обсуждением параметров, иллюстрирующих варианты выполнения, в описании рассматривается согласование во времени посылки и приема сигналов в ультразвуковом расходомере. Рассмотрим, для примера, четыреххордовый ультразвуковой расходомер. В пределах использованного в качестве примера измерительного периода, равного одной секунде, ультразвуковой расходомер может направлять по каждой хорде 30 акустических сигналов в направлении навстречу потоку и 30 акустических сигналов в направлении по потоку (т.е. в измерительный период, равный одной секунде, акустический сигнал генерируется, распространяется и принимается каждые 4,16 миллисекунды). Различные замеры, сделанные в измерительный период, некоторым образом объединяются (например, усредняются времена распространения для хорды в направлении навстречу потоку и времена распространения для хорды по направлению потока, и с использованием средних значений определяются скорости потока по хордам), после чего определяется полный поток через расходомер для измерительного периода. Измерительный период величиной в одну секунду приведен только в качестве примера, измерительные периоды могут быть длиннее или короче, в зависимости от конструктивных характеристик конкретного ультразвукового расходомера. При измерительном периоде, превышающем две секунды, увеличивается погрешность в вычислении общего потока, а расходомер становится подверженным воздействию погрешностей, вызываемых изменением условий работы (например, изменение давления, изменение положения управляющего клапана, находящегося выше по потоку), что отрицательно влияет на способность оценивать состояние исправности пар преобразователей на основе параметров принятых сигналов. Таким образом, для целей описания и формулы изобретения, термины "измерительный период", "по существу одновременно" и/или "по существу параллельно" обозначают в пределах двух секунд или менее.
Далее, рассматривая процесс, представим, что ультразвуковой расходомер последовательно (первая половина цикла) направляет акустический сигнал в направлении навстречу потоку в каждой хорде A-D (Фиг.2), а затем последовательно (вторая половина цикла) направляет акустический сигнал в направлении по потоку в каждой хорде A-D, после чего цикл "навстречу потоку/по потоку" повторяется еще 29 раз. Для взятого в качестве примера периода измерений, равного одной секунде и половине цикла (навстречу потоку по всем хордам или по потоку по всем хордам), различие во времени между началом процесса в ходе А и завершением процесса в хорде D составляет примерно 16,67 миллисекунды. В пределах каждой половины цикла, расположенный навстречу потоку преобразователь (приемный) каждой пары преобразователей создает электрический сигнал, аналогичный сигналу 300 на Фиг.5, где фактические характеристики сигнала зависят от скорости звука на уровне хорды, скорости текучей среды на уровне хорды и (важно для целей данного раскрытия) степени исправности преобразователей пары преобразователей на уровне хорды. Для проверки исправности пары преобразователей, параметр принимаемого сигнала испытываемой пары преобразователей исследуется сравнением с одним или более соответствующими параметрами принимаемых сигналов от других преобразователей во время измерительного периода. Многие параметры могут быть использованы для выполнения этого анализа, и ниже будет рассмотрен пример такого набора параметров.
Первым параметром, используемым в качестве примера, является отношение сигнал-шум. Каждый принимаемый сигнал 300 характеризуется соответствующим отношением сигнал-шум. В некоторых вариантах выполнения, отношение сигнал-шум может быть вычислено делением амплитуды 308 сигнала 304 на Фиг.5 на амплитуду 306 шумового сигнала 302. В других вариантах выполнения, сигнальный и шумовой компоненты сигнала 304 могут быть определены частотной фильтрацией части сигнала 304 и вычислением составляющей мощности сигнала 304, соответствующей требуемому сигналу, в пропорции к составляющей мощности шумовой части. Вне зависимости от конкретного механизма, каким определяется отношение сигнал-шум для каждого принятого сигнала, конкретная хорда может быть проверена на качество работы соответствием следующему уравнению:
где Мах представляет собой максимальное отношение сигнал-шум группы SNRX, SNRX является отношением сигнал-шум для хорды расходомера (для четыреххордового расходомера X - это {A, B, C, D}), SNRTest представляет отношение сигнал-шум на испытываемой хорде, SNRThreshold представляет заданное пороговое значение, а каждое SNR (от англ. Signal-to-Noise Ratio) выражается в децибелах (дБ). Рассмотрим, в качестве примера, проверку хорды А по уравнению (1). Выбирается наивысшее значение отношения сигнал-шум среди четырех хорд, и из него вычитается отношение сигнал-шум для хорды А. Если отношение сигнал-шум для хорды А сравнимо с наивысшим отношением сигнал-шум, результат вычитания будет небольшим. Если в хорде А имеет место наивысшее отношение сигнал-шум, отношение сигнал-шум вычитается само из себя и результат будет равен нулю. С другой стороны, если отношение сигнал-шум в хорде А значительно меньше, результат получится большим. Результат, превышающий SNRTreshold, указывает на приближающийся отказ в хорде А. Используя ту же группу принятых сигналов (в данном примере, сигналы, принятые в одном полуцикле), посредством уравнения (1) можно проверить все хорды.
Вторым параметром, который может быть использован для примера, является амплитуда сигнала. Как отмечалось применительно к Фиг.5, каждая сигнальная часть 304 имеет амплитуду 308. Когда определена амплитуда каждого принятого сигнала, конкретная хорда может быть проверена на степень исправности посредством следующего уравнения:
где Мах представляет максимальную амплитуду сигнала группы Sx, a Sx является амплитудой сигнала в хорде расходомера (для четыреххордового расходомера, X есть {A, B, C, D}), STest является амплитудой сигнала в испытуемой хорде, a SThreshold является заданным пороговым значением. Рассмотрим, в качестве примера, испытание хорды А, в соответствии с уравнением (2). Выбирается максимальная амплитуда сигнала из сигналов рассматриваемых четырех хорд и делится на амплитуду сигнала в хорде А. Если амплитуда сигнала в хорде А сходна с наивысшей амплитудой сигнала, то результат будет близок единице. Если сигнал в хорде А имеет наивысшую амплитуду, то сигнал делится сам на себя и результат равен точно единице. С другой стороны, если амплитуда сигнала в хорде А существенно ниже, чем максимальная амплитуда, результат деления будет большим. Результат, превышающий SThreshold, указывает на приближающийся отказ в хорде А. Используя одну и ту же группу принятых сигналов (в данном случае, принятых в одном полуцикле), по уравнению (2) могут быть проверены все хорды расходомера.
Третьим иллюстрирующим параметром является амплитуда шума. Как было отмечено в отношении Фиг.5, каждый шумовой сигнал 302 имеет амплитуду 306. Однако, как было показано выше, могут существовать отказы двух видов, которые можно обнаружить по амплитуде шума, называемые здесь "громким отказом" и "глухим отказом". В случае громкого отказа, амплитуда 306 шумового сигнала 302 увеличивается без соответствующего увеличения акустической энергии, а в случае глухого отказа амплитуда 306 шумового сигнала 302 падает без соответствующего уменьшения акустической энергии. Когда определены шумовые амплитуды каждого принятого сигнала, конкретная хорда может быть испытана на степень исправности посредством следующего уравнения:
где Avg представляет собой среднюю амплитуду шумового сигнала из группы Nx, Nx является амплитудой шумового сигнала в хорде расходомера (в четыреххордовом расходомере, X есть {А, В, С, D}), NTest представляет собой амплитуду шумового сигнала в испытываемой хорде, HNThreshold является верхним заданным пороговым значением шума, a LNThreshold является нижним заданным пороговым значением шума. Рассмотрим, для примера, проверку хорды А посредством уравнения (3). Вычисляется средняя амплитуда шумового сигнала рассматриваемых в качестве примера четырех хорд и делится на амплитуду шумового сигнала в хорде А. Если амплитуда шумового сигнала в хорде А сходна со средней амплитудой шумового сигнала, результат будет близок единице. Если амплитуда шумового сигнала в хорде А велика по сравнению со средней амплитудой шумового сигнала (т.е. "громкий отказ"), результат будет мал. Наконец, если амплитуда шумового сигнала в хорде А будет мала по сравнению со средней амплитудой шумового сигнала (т.е. "глухой отказ"), результат будет большой.
В некоторых вариантах выполнения, использование рабочих характеристик пары преобразователей в качестве указания на приближение отказа по меньшей мере одного преобразователя из пары преобразователей осуществляется с использованием только одного из приведенных выше уравнений. Например, тест, основанный на отношениях сигнал-шум, может быть достаточен для идентификации изменений в работе, указывающих на отказ. Однако в других вариантах выполнения, определение приближения отказа по меньшей мере одного преобразователя из пары преобразователей на основании рабочих характеристик пары преобразователей основано на двух или более тестах. Например, если в проверяемой хорде выявлены изменения рабочих характеристик в отношении одного теста (например, сигнал-шум), результат может быть подтвержден выполнением теста по другому параметру (например, амплитуде сигнала или амплитуде шума).
Заданные пороговые значения SNRThreshold, SThreshold, HNThreshold и LNThreshold могут регулироваться и могут выбираться на основании ожидаемых условий работы расходомера (например, рабочее давление, ожидаемый расход, измеряемая текучая среда). Устанавливаемые пороговые значения могут выбираться так, чтобы ожидаемые изменения в рабочих характеристиках преобразователя не приводили к удовлетворению неравенств в соотношениях (1), (2) и/или (3), но чтобы изменение работы, указывающее на предстоящий отказ, приводило к удовлетворению по меньшей мере одного неравенства. Более жесткие задаваемые пороговые значения могут привести к более раннему обнаружению еще до того, как предстоящий отказ преобразователя повлияет на точность измерений, но также могут привести и к появлению ложной индикации. Например, отношение сигнал-шум, когда все пары преобразователей работают правильно, может составлять у всех около 6 дБ. При этом в некоторых вариантах выполнения SNRThreshold может быть установлено в интервале от 10 до 20 дБ. В качестве другого примера можно привести амплитуды сигнала, которые, когда все пары преобразователей работают надлежащим образом, могут быть одинаковыми с разницей не более трехкратной. Так, в некоторых вариантах выполнения, SThreshold может быть установлено в интервале от четырех до восьми. Более того, необходимость срочной замены пары преобразователей, работа которых ухудшается, уточняется по различным параметрам. Например, пара преобразователей, которая не проходит по критерию анализа, основанного на уравнениях (1)-(3), но обладает отношением сигнал-шум (рассматривается отдельно) более 20 дБ, может не требовать столь же срочной замены, как пара преобразователей, которая не удовлетворяет требованиям по уравнениям (1)-(3) и имеет отношение сигнал-шум менее 20 дБ, что может привести к влиянию качества работы преобразователя на точность измерений расходомера.
В рассмотренных до сих пор вариантах осуществления изобретения, приведенных в качестве примера, анализируются параметры распространяющихся навстречу потоку акустических сигналов, относящихся к одному полуциклу. В случае измерительного периода, составляющего одну секунду с 30 измерениями навстречу потоку и с 30 измерениями по потоку в течение измерительного периода, все анализируемые акустические сигналы, направляемые навстречу потоку, посылаются и принимаются в пределах окна длительностью 16,67 миллисекунд. Однако описанный порядок посылки сигналов поочередно по хордам навстречу потоку и затем по потоку приведен исключительно для иллюстрации. Точный порядок посылки акустических сигналов навстречу и по потоку может иметь много эквивалентных форм. Например, ультразвуковой расходомер может посылать в виде группы один акустический сигнал навстречу потоку и один акустический сигнал по потоку в хорде А, затем группу в хорде В и так далее до хорды D, после чего повторять этот порядок много раз в измерительном периоде. В случае измерительного периода продолжительностью в одну секунду с 30 группами, в каждой из которых в каждой хорде производится последовательно посылка акустического сигнала навстречу потоку и по потоку, все акустические сигналы навстречу потоку посылаются и принимаются в пределах временного окна 33,28 миллисекунды. В других вариантах выполнения, анализируемые акустические сигналы, направляемые навстречу потоку, вблизи начала измерительного периода, могут подвергаться анализу на фоне акустических сигналов, направляемых навстречу потоку, в другом цикле вблизи конца измерительного периода. Для измерительного периода, равного одной секунде, разность во времени между моментами, когда такие сигналы генерируются и детектируются, может приближаться к одной секунде.
Более того, в то время как были рассмотрены различные варианты выполнения, касающиеся анализа на основе акустических сигналов, направляемых навстречу потоку, определение возникновения деградации работы пары преобразователей может аналогично выполняться анализом акустических сигналов, распространяющихся по потоку, в любой момент в пределах измерительного окна. И в этом случае, для используемого для примера измерительного периода продолжительностью одну секунду, с 30 измерениями навстречу потоку и по потоку в пределах измерительного периода, акустический сигнал в направлении по потоку мог бы генерироваться и приниматься в пределах 16,67-миллисекундного окна, в пределах того же 33,28-миллисекундного окна или на внешних временных границах измерительного окна.
Приведенные для примера варианты выполнения, рассмотренные до сих пор, были основаны на анализе параметров отдельных принимаемых сигналов (навстречу и по потоку). Однако в других вариантах выполнения, анализ может быть основан на значениях, усредненных по всему или части измерительного периода. Например, параметры акустических сигналов, направляемых навстречу потоку, могут быть усреднены по измерительному периоду, а затем один анализ выполнен по усредненным значениям. В таких ситуациях, используются уравнения (1)-(3), за исключением того, что SNRx становится средним отношением сигнал-шум для хорды X по выбранному периоду, SNRTest становится средним отношением сигнал-шум по выбранному периоду в испытуемой хорде, Sx становится средней амплитудой сигнала в хорде X по выбранному периоду, STest становится средней амплитудой сигнала в испытуемой хорде, Nx становится средней амплитудой шумового сигнала в хорде X по выбранному периоду, и NTest становится средней амплитудой шумового сигнала для выбранного периода в испытуемой хорде. В каждом случае, выбранный период меньше или равен измерительному периоду.
Далее, приведенные для примера варианты выполнения, рассмотренные до сих пор, были основаны на соотношении амплитуд сигнала и шума, амплитуде сигнала и/или амплитуде шума. Однако с тем же успехом анализу могут быть подвергнуты другие параметры принятых сигналов. Например, энергия сигнала (рассчитывается как квадрат амплитуды сигнала) может быть использована вместо амплитуды сигнала. Аналогично, энергия шума (рассчитывается как квадрат амплитуды шума) может быть использована вместо амплитуды шума. Кроме того, энергия сигнала и энергия шума могут быть скомбинированы для получения альтернативного отношения сигнал-шум. Также могут быть использованы и другие, имеющие отношение к упомянутым выше. Например, в некоторых ультразвуковых расходомерах используются усилители с программируемым усилением (например, с автоматической регулировкой усиления) в детектирующей части схемы для обеспечения по существу постоянной амплитуды сигнала для детектора пересечений нулевого уровня. По мере ухудшения работы пары преобразователей, изменяются установки усиления усилителя с программируемым усилением, и поэтому для определения того, насколько ухудшение работы первой пары преобразователей указывает на предстоящий отказ по меньшей мере одного преобразователя из первой пары преобразователей, может потребоваться вычисление величины, базирующееся на двух (или более) установках усиления в соответствующих усилителях с программируемым усилением.
Хотя имеется возможность определить в каждом измерительном периоде, указывает ли работа пары преобразователей на предстоящий отказ, и даже в течение измерительного периода это может быть сделано несколько раз, как правило, отказ преобразователей развивается в течение дней или недель. Так, в некоторых вариантах выполнения, определение того, указывает ли работа пары преобразователей на приближающийся отказ, выполняется несколько раз в день, раз в день или несколько раз каждую неделю. С тем же успехом, однако, определение деградации работы, свидетельствующее о приближении отказа, может выполняться с любой достаточной для этого частотой.
Фиг.6 иллюстрирует способ в соответствии с по меньшей мере несколькими вариантами выполнения. В частности, способ начинается (шаг 400) и переходит к созданию первого электрического сигнала, представляющего акустическую энергию, распространяющуюся между преобразователями первой пары преобразователей расходомера (шаг 404). Далее, создается второй электрический сигнал, представляющий акустическую энергию, распространяющуюся между преобразователями второй пары преобразователей расходомера (шаг 408). В некоторых вариантах осуществления изобретения, второй электрический сигнал создается по существу одновременно с созданием первого электрического сигнала (например, в пределах того же измерительного периода, в пределах 16,67 миллисекунд, в пределах 33,28 миллисекунд). После создания электрических сигналов, способ переходит к вычислению соотношения между параметром первого электрического сигнала и параметром второго электрического сигнала (шаг 412). Как было показано выше, параметрами электрического сигнала могут быть любые параметры, которые могут показывать степень исправности пары преобразователей, например отношение сигнал-шум, амплитуда сигнала или амплитуда шума. Вне зависимости от выбранного параметра, определение выполняется на основании соотношения, показывающего, насколько рабочие характеристики первой пары преобразователей указывают на приближение отказа по меньшей мере одного преобразователя первой пары преобразователей (шаг 416), после чего способ завершен (шаг 420).
В приведенном для иллюстрации способе, определение того, указывает ли работа пары преобразователей на приближение отказа, также может принимать многие формы. В случае если в качестве индикаторного параметра используется отношение сигнал-шум, определение может включать определение различия между отношением сигнал-шум в проверяемой хорде и отношением сигнал-шум, основанным по меньшей мере отчасти на отношении сигнал-шум второго электрического сигнала. В случае амплитуды сигнала как индикаторного параметра, определение может включать определение частного от деления амплитуды сигнала первого электрического сигнала на амплитуду сигнала, основанную по меньшей мере отчасти на амплитуде сигнала второго электрического сигнала. В случае если в качестве индикаторного параметра выбрана амплитуда шума, определение может включать определение частного от деления амплитуды шума первого электрического сигнала на амплитуду шума, основанную по меньшей мере отчасти на амплитуде шума второго электрического сигнала.
В приведенном ранее рассмотрении подразумевалось, что определение возможности предстоящего отказа одного или более преобразователей осуществляется в ультразвуковом расходомере. Однако в альтернативных вариантах выполнения, определение возможного предстоящего отказа может выполняться в устройствах более высокого уровня. На Фиг.7 показаны альтернативные варианты выполнения, в которых устройство более высокого уровня определяет предстоящий отказ. В частности, на Фиг.7 показан вычислитель 500 расхода, соединенный с несколькими ультразвуковыми расходомерами 502. Конфигурация вычислителя расхода обеспечивает накопление (т.е. поддержание промежуточной суммы) потока текучей среды, измеряемого каждым из ультразвуковых расходомеров за заданный промежуток времени. Конструкция и работа каждого из ультразвуковых расходомеров 502 может соответствовать приведенному выше описанию. Однако каждый расходомер 502 может иметь отличающийся размер (т.е. каждый соединительный патрубок образует центральный канал отличающегося размера), либо каждый расходомер может измерять текучую среду других типов. Например, расходомер природного газа, используемый на электростанции, может содержать несколько параллельных и независимых измерительных секций, каждая из которых оптимизирована для конкретного диапазона расходов природного газа. Вычислитель 500 расхода может, таким образом, накапливать данные о потоках текучей среды от каждого из ультразвуковых расходомеров 502 для определения полного потока природного газа, поступающего на электростанцию.
Приведенный в качестве примера вычислитель 500 расхода содержит процессор 504, соединенный с ОЗУ 506, ПЗУ 508, коммуникационным портом 510 и коммуникационным портом 512. Процессор 504 представляет собой устройство, в котором исполняются программы для выполнения задач по накоплению данных об объеме потока и также определяется предстоящий отказ пары преобразователей в каждом ультразвуковом расходомере 502. ПЗУ 508 представляет собой энергонезависимое запоминающее устройство, в котором хранятся программы операционной системы, а также программы, посредством которых должны осуществляться различные варианты выполнения. ОЗУ 506 представляет собой оперативное запоминающее устройство для процессора 504, и перед исполнением некоторые программы и/или наборы данных могут быть скопированы из ПЗУ 508 в ОЗУ 504. В альтернативных вариантах, доступ к некоторым программам и наборам данных может быть непосредственно из ПЗУ 508. Коммуникационный порт 510 представляет собой устройство, посредством которого вычислитель 500 расхода связывается с устройствами более высокого уровня, например системой сбора данных. Аналогично, коммуникационный порт 512 представляет собой устройство, посредством которого вычислитель 500 расхода осуществляет связь с ультразвуковыми расходомерами 502. В альтернативных вариантах выполнения, вычислитель расхода может иметь отдельный коммуникационный порт 512 для каждого ультразвукового расходомера 502, а в других вариантах осуществления изобретения, один коммуникационный порт может обеспечивать соединение как с ультразвуковыми расходомерами, так и с устройствами более высокого уровня. В то время как процессор 504, ОЗУ 506, ПЗУ 508 и коммуникационные порты 510, 512 показаны как отдельные устройства, в альтернативных вариантах выполнения используются микроконтроллеры, в которых объединены процессорное ядро, ОЗУ, ПЗУ и коммуникационные порты.
В соответствии с этими вариантами выполнения, конфигурация по меньшей мере одного из ультразвуковых расходомеров 502 обеспечивает отсылку параметров акустической энергии, принимаемой по меньшей мере одним преобразователем пары преобразователей ультразвукового расходомера 502. В некоторых случаях, параметры, направляемые к вычислителю 500 расхода, являются электронными представлениями принятой акустической энергии, в других случаях параметры, направляемые к вычислителю 500 расхода, являются просто определенными параметрами, представляющими интерес (например, отношение сигнал-шум, амплитуда сигнала, амплитуда шума). Соответственно, конфигурация вычислителя 500 расхода и, в частности, процессора 504 и коммуникационного порта 512 обеспечивает прием этих параметров. В соответствии с вариантами осуществления изобретения, приведенными в качестве примера, конфигурация вычислителя 500 расхода позволяет определить приближение отказа одного или более преобразователей способом, описанным выше применительно к ультразвуковому расходомеру. Таким образом, если ультразвуковой расходомер не обладает достаточной вычислительной мощностью для выполнения вычислений при определении наступающего отказа, вычисления могут быть выполнены вычислителем расхода, к которому подключен ультразвуковой расходомер.
Пользуясь приведенным выше описанием, специалисты легко могут объединить подготовленное согласно описанному выше программное обеспечение с соответствующими универсальными или специализированными компьютерными аппаратными средствами для создания вычислительной системы и/или вычислительных субкомпонентов в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения, для создания вычислительной системы и/или вычислительных субкомпонентов, осуществляющих способы в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения, и/или для создания машиночитаемого носителя информации для хранения компьютерных программ для выполнения способов в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения.
Приведенное рассмотрение предназначено для иллюстрации принципов и различных вариантов выполнения настоящего изобретения. Ознакомившиеся с настоящим раскрытием специалисты могут предложить различные изменения и модификации. Приведенная ниже формула должна восприниматься как охватывающая все подобные изменения и модификации.
1. Способ определения приближающегося отказа преобразователей, включающий создание первого электрического сигнала, представляющего собой акустическую энергию, распространяющуюся между первой парой преобразователей расходомера, создание второго электрического сигнала, представляющего собой акустическую энергию, распространяющуюся между второй парой преобразователей расходомера, которое осуществляют, по существу, одновременно с созданием первого электрического сигнала, вычисление соотношения между параметром первого электрического сигнала и параметром второго электрического сигнала и определение приближающегося отказа по меньшей мере одного преобразователя из первой пары преобразователей по ее работе, посредством вычисленного соотношения.
2. Способ по п.1, в котором при вычислении указанного соотношения дополнительно определяют разность между отношением сигнал-шум первого электрического сигнала и по меньшей мере частичным отношением сигнал-шум второго электрического сигнала, а при определении приближающегося отказа дополнительно оценивают указанное соотношение по отношению к заданному пороговому значению.
3. Способ по п.1, который дополнительно включает создание третьего электрического сигнала, представляющего собой акустическую энергию, распространяющуюся между третьей парой преобразователей, а при вычислении указанного соотношения дополнительно вычисляют разность между отношением сигнал-шум первого электрического сигнала и наибольшим отношением сигнал-шум, выбранным из группы, включающей отношение сигнал-шум первого электрического сигнала, отношение сигнал-шум второго электрического сигнала или отношение сигнал-шум третьего электрического сигнала.
4. Способ по п.1, в котором при вычислении указанного соотношения дополнительно вычисляют отношение параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого электрического сигнала к параметру, пропорциональному амплитуде сигнала второго электрического сигнала, а при определении приближающегося отказа дополнительно оценивают указанное соотношение по отношению к заданному пороговому значению.
5. Способ по п.1, который дополнительно включает создание третьего электрического сигнала, представляющего собой акустическую энергию, распространяющуюся между третьей парой преобразователей, а при вычислении указанного соотношения дополнительно вычисляют отношение параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого электрического сигнала, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального наибольшему значению, выбранному из группы, включающей амплитуду сигнала первого электрического сигнала, амплитуду сигнала второго электрического сигнала и амплитуду сигнала третьего электрического сигнала, являющегося числителем.
6. Способ по п.1, в котором при вычислении указанного соотношения дополнительно вычисляют отношение параметра, пропорционального амплитуде шума первого электрического сигнала, к параметру, пропорциональному амплитуде шума второго электрического сигнала, а при определении приближающегося отказа дополнительно оценивают указанное соотношение по отношению к заданному пороговому значению.
7. Способ по п.1, который дополнительно включает создание третьего электрического сигнала, представляющего собой акустическую энергию, распространяющуюся между третьей парой преобразователей, а при вычислении указанного соотношения дополнительно вычисляют отношение параметра, пропорционального амплитуде шума первого электрического сигнала, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального средней амплитуде шума первого, второго и третьего электрических сигналов, являющегося числителем.
8. Способ по п.1, в котором при создании первого и второго электрических сигналов дополнительно создают первый электрический сигнал в течение одной секунды совместно со вторым электрическим сигналом.
9. Система определения приближающегося отказа преобразователей, включающая расходомер, корпус расходомера, определяющий центральный канал и связанный с трубопроводом, по которому протекает текучая среда, группу пар преобразователей, связанных с корпусом, процессор, электрически связанный с группой пар преобразователей, и запоминающее устройство, связанное с процессором и хранящее программу, выполняемую процессором, при этом процессор выполнен с возможностью, по существу, одновременного получения для каждой пары преобразователей из группы преобразователей представления акустической энергии, принимаемой по меньшей мере одним преобразователем из пары преобразователей, вычисления соотношения между параметром первого представления, связанного с первой парой преобразователей из группы, и по меньшей мере одним другим представлением, и определения приближающегося отказа по работе первой пары преобразователей, посредством вычисленного соотношения.
10. Система по п.9, в которой процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как разности между отношением сигнал-шум для первого представления и по меньшей мере частичным отношением сигнал-шум для по меньшей мере одного другого представления, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
11. Система по п.9, в которой процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как разности между отношением сигнал-шум для первого представления и наибольшим отношением сигнал-шум, выбранным из других представлений, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
12. Система по п.9, в которой процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого представления, и параметра, пропорционального амплитуде сигнала по меньшей мере одного другого представления, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
13. Система по п.9, в которой процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого представления, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального наибольшему сигналу, выбранному из других представлений, являющегося числителем, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
14. Система по п.9, в которой процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде шума первого представления, и параметра, пропорционального амплитуде шума по меньшей мере одного другого представления, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
15. Система по п.9, в которой процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде шума первого представления, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального наибольшей амплитуде шума, выбранной из других представлений, являющегося числителем, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и анализа указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
16. Система по п.9, в которой процессор выполнен с возможностью получения представления друг от друга в течение одной секунды.
17. Машиночитаемый носитель информации, на котором хранится программа для процессора, выполненного с возможностью получения, в течение измерительного периода, для каждой пары преобразователей группы пар преобразователей, параметра акустической энергии, принимаемого по меньшей мере одним преобразователем из пары, вычисления соотношения между первым параметром, связанным с первой парой преобразователей из группы пар преобразователей, и по меньшей мере одним другим параметром, и определения приближающегося отказа по меньшей мере одного преобразователя из первой пары преобразователей по ее работе, посредством вычисленного соотношения.
18. Носитель по п.17, в котором процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как разности между отношением сигнал-шум для первого представления и отношением сигнал-шум, основанным на по меньшей мере одном другом представлении, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
19. Носитель по п.17, в котором процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как разности между параметром, являющимся отношением сигнал-шум для первого представления, и параметром, являющимся наибольшим отношением сигнал-шум, выбранным из других представлений, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
20. Носитель по п.17, в котором процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого представления, и параметра, пропорционального амплитуде сигнала по меньшей мере одного другого представления, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
21. Носитель по п.17, в котором процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого представления, и параметра, пропорционального наибольшей амплитуде сигнала, выбранной из других представлений, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
22. Носитель по п.17, в котором процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде шума первого представления, и параметра, пропорционального амплитуде шума по меньшей мере одного другого представления, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
23. Носитель по п.17, в котором процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде шума первого представления, и параметра, пропорционального наибольшей амплитуде шума, выбранной из других представлений, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и оценки указанного соотношения по отношению к заданному пороговому значению.
24. Носитель по п.17, в котором процессор выполнен с возможностью получения представлений друг от друга в течение одной секунды.
25. Система определения приближающегося отказа преобразователей, включающая расходомер, снабженный группой пар преобразователей, процессор, запоминающее устройство, связанное с процессором и хранящее программу, исполняемую процессором, и коммуникационный порт, связанный с процессором, при этом процессор выполнен с возможностью приема измеренных расходомером величин потока текучей среды, поддержания промежуточной суммы потока текучей среды через расходомер за заданный промежуток времени, получения для каждой пары преобразователей из группы, параметра акустической энергии, принятой по меньшей мере одним преобразователем из пары преобразователей, посредством коммуникационного порта, вычисления соотношения между первым параметром, связанным с первой парой преобразователей из группы, и по меньшей мере одним другим параметром, и определения приближающегося отказа по меньшей мере одного преобразователя из первой пары преобразователей по ее работе, посредством вычисленного соотношения.
26. Система по п.25, в которой процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как разности между параметром, являющимся отношением сигнал-шум для первого представления, и параметром, являющимся отношением сигнал-шум, основанным на по меньшей мере одном другом представлении, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и определения превышения разностью заданного порогового значения.
27. Система по п.25, в которой процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде сигнала первого представления, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального амплитуде сигнала по меньшей мере одного другого представления, являющегося числителем, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и определения превышения разностью заданного порогового значения.
28. Система по п.25, в которой процессор выполнен с возможностью вычисления указанного соотношения как отношения параметра, пропорционального амплитуде шума первого представления, являющегося знаменателем, и параметра, пропорционального амплитуде шума по меньшей мере одного другого представления, являющегося числителем, определения приближающегося отказа первой пары преобразователей по ее работе и определения превышения разностью заданного порогового значения.
