Ультразвуковое измерение расхода с использованием регулирования потока при переходе из ламинарного течения в турбулентное

Предложены устройство и способ ультразвукового измерения расхода вязких текучих сред. В одном примере осуществления изобретения ультразвуковая система измерения расхода содержит ультразвуковой расходомер, стабилизатор потока и сужающий переходник. Ультразвуковой расходомер содержит два ультразвуковых преобразователя, используемых для обмена ультразвуковыми сигналами через поток текучей среды, проходящий между преобразователями. Стабилизатор потока расположен выше по потоку от ультразвукового расходомера. Сужающий переходник расположен между стабилизатором потока и ультразвуковым расходомером для уменьшения площади поперечного сечения потока текучей среды, проходящего от стабилизатора потока к ультразвуковому расходомеру. Логическая схема вычисления выполнена с возможностью вычисления значений числа Рейнольдса и вязкости потока текучей среды в переходном режиме течения на основании мгновенного значения коэффициента профиля потока текучей среды. Технический результат – обеспечение точности измерения расхода вязких текучих сред. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Углеводородные текучие среды транспортируют от одного места к другому посредством трубопроводов. Необходимо знать точное количество текучей среды, протекающей в трубопроводе, причем особая точность требуется при переходе текучей среды от одного владельца к другому или "передаче продукта". Однако, даже при отсутствии передачи продукта, необходима точность измерений, и в этих ситуациях могут быть использованы расходомеры.

[0002] Ультразвуковые расходомеры представляют собой такой тип расходомера, который может быть использован для измерения количества текучей среды, протекающей в трубопроводе. Ультразвуковые расходомеры имеют точность, достаточную для их использования при передаче продукта. В ультразвуковых расходомерах акустические сигналы посылают вперед и назад через поток текучей среды, который необходимо измерить. На основании параметров принятых акустических сигналов определяют скорость потока текучей среды в расходомере. Объем текучей среды, протекающей через расходомер, может быть определен на основании определенных скоростей потока и известной площади сечения расходомера.

[0003] Для точного измерения скорости потока в ультразвуковом расходомере необходимо наличие сложного профиля потока. В обычных системах ультразвукового измерения расхода такой профиль потока обеспечивают путем размещения длинного прямого отрезка трубы или стабилизатора потока выше по потоку от ультразвукового расходомера.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В настоящем описании раскрыты устройства и способы ультразвукового измерения расхода вязких текучих сред. В одном примере осуществления изобретения, ультразвуковая система измерения расхода содержит ультразвуковой расходомер, стабилизатор потока, и сужающий переходник. Сужающий переходник трубы представляет собой устройство, которое соединяет трубу с большим диаметром центрального отверстия, расположенную выше по потоку, с трубой с меньшим диаметром центрального отверстия, расположенную ниже по потоку. Ультразвуковой расходомер содержит два ультразвуковых преобразователя, расположенных с возможностью обмена ультразвуковыми сигналами между преобразователями через поток текучей среды. Стабилизатор потока расположен выше по потоку от ультразвукового расходомера. Сужающий переходник расположен между стабилизатором потока и ультразвуковым расходомером для уменьшения площади поперечного сечения потока текучей среды от стабилизатора потока к ультразвуковому расходомеру.

[0005] В другом примере осуществления изобретения предложен способ, согласно которому соединяют нижний по потоку конец сужающего переходника с верхним оп потоку концом ультразвукового расходомера, а верхний по потоку конец сужающего переходника соединяют с нижним по потоку концом стабилизатора потока. Внутренняя площадь поперечного сечения нижнего по потоку конца сужающего переходника меньше внутренней площади поперечного сечения верхнего по потоку конца сужающего переходника.

[0006] В еще одном примере осуществления изобретения ультразвуковая система измерения расхода содержит стабилизатор потока, сужающий переходник, и ультразвуковой расходомер. Стабилизатор потока соединен с верхним по потоку концом сужающего переходника, а ультразвуковой расходомер соединен с нижним по потоку концом сужающего переходника. Стабилизатор потока и сужающий переходник стабилизируют поток текучей среды, проходящий через ультразвуковой расходомер, с обеспечением измерения ультразвуковым расходомером скорости потока текучей среды с погрешностью, составляющей менее 0,2 процентов, при этом значение числа Рейнольдса потока текучей среды составляет менее 5000.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Для подробного описания предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения будут даны ссылки на прилагаемые чертежи, где:

[0008] На фиг. 1 показана диаграмма профилей потока, характеризующая ламинарный, переходный и турбулентный потоки текучей среды;

[0009] На фиг. 2 показана диаграмма примерных процентных погрешностей ламинарного, переходного и турбулентного потоков текучей среды;

[0010] На фиг. 3 показана ультразвуковая измерительная система для измерения вязких текучих сред, которая обеспечивает регулирование потока при переходе ламинарного течения в турбулентное в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0011] На фиг. 4 показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0012] На фиг. 5 показан вид спереди четырехпроходного ультразвукового расходомера в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0013] На фиг. 6 показана диаграмма зависимости изменения погрешности измерения объемного расхода от значения числа Рейнольдса для ультразвуковой системы измерения расхода в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0014] На фиг. 7 показана диаграмма зависимости изменения вычисленного и фактического коэффициента, характеризующего профиль от значения числа Рейнольдса для ультразвуковой системы измерения расхода в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0015] На фиг. 8 показана диаграмма сравнения фактического значения числа Рейнольдса потока текучей среды со значением числа Рейнольдса, вычисленным ультразвуковой системой измерения расхода в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0016] На фиг. 9 показана диаграмма погрешности вычисленного значения числа Рейнольдса и фактического значения числа Рейнольдса в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0017] На фиг. 10 показана диаграмма фактического значения кинематической вязкости текучей среды и значения кинематической вязкости, вычисленного ультразвуковой системой измерения расхода, в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0018] На фиг. 11 показана диаграмма зависимости погрешности вычисленного значения кинематической вязкости от значения числа Рейнольдса в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0019] На фиг. 12 показана структурная схема ультразвукового расходомера в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0020] На фиг. 13 показана структурная схема устройства обработки данных о расходе в соответствии с принципами настоящего изобретения;

[0021] На фиг. 14 показана блок-схема способа измерения расхода вязких текучих сред с помощью ультразвукового расходомера в соответствии с принципами настоящего изобретения.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ

[0022] В приведенном ниже описании и в формуле изобретения термины "включающий" и "содержащий" использованы в неограничивающем значении и, следовательно, должны быть интерпретированы как «включающий, в том числе…». Кроме того, термин «соединяют» или «соединяет» означает непрямое или прямое соединение. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, то такое соединение может быть прямым соединением или непрямым соединением, осуществленным посредством других устройств и соединений. Фраза «основанный на» означает "по меньшей мере частично основанный на". Таким образом, если X основан на Y, то X может быть основан на Y и на любом количестве других факторов. Термин «текучая среда» включает жидкости и газы.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0023] Рассматриваемое ниже описание направлено на различные приведенные в качестве примера варианты реализации настоящего изобретения. Чертежи примеров осуществления настоящего изобретения не обязательно выполнены в масштабе. Конкретные свойства различных вариантов реализации могут быть показаны в увеличенном масштабе или в некоторой схематической форме, а некоторые сведения об обычных элементах могут быть не показаны в интересах ясности и краткости. Раскрытые варианты реализации не следует интерпретировать или использовать другим образом для ограничения объема настоящего изобретения, включая формулу изобретения. Кроме того, специалисту в области техники будет понятно, что приведенное ниже описание имеет широкое применение, а описание любого варианта реализации приведено только в качестве примера данного варианта реализации, и не предназначено для ограничения объема настоящего изобретения, включая формулу изобретения. Следует понимать, что различные идеи рассмотренных ниже примеров осуществления настоящего изобретения могут быть использованы по отдельности или в любой подходящей комбинации для получения необходимых результатов. Кроме того, различные примеры осуществления изобретения разработаны для измерения потоков углеводородов (например, сырой нефти или нефтепродуктов), а описание следует из контекста разработки; однако, рассмотренные системы и способы в равной степени применимы для измерения потока любой текучей среды.

[0024] Обычная ультразвуковая система измерения расхода текучей среды может содержать сужающий переходник, расположенный выше по потоку от стабилизатора потока, т.е. выше по потоку от прямого отрезка трубы (длина которого равна, например, восьми диаметрам трубы), через который поток текучей среды поступает к расходомеру. Ультразвуковые расходомеры такой обычной системы обеспечивают измерение расхода текучих сред в режиме турбулентного течения. Однако, такие системы не подходят для измерения расхода в нетурбулентных режимах течения, вызванных текучими средами, имеющими высокую вязкость. Кроме того, использование в таких системах встроенных стабилизаторов потока вызывает перепад давления, который значительно возрастает при увеличении вязкости рабочих текучих сред.

[0025] "Турбулентным" называют течение жидкостей с низкой вязкостью по трубопроводу с умеренной скоростью. Турбулентное течение имеет вполне определенный специфический профиль скоростей. Аналогично, "ламинарным" называют течение с низкой скоростью жидкостей, обладающих высокой вязкостью. Профиль скорости ламинарного течения отличен от профиля скорости турбулентного течения. С увеличением от нуля скорости потока высоковязкой текучей среды в зависимости от параметров системы происходит переход ламинарного режима течения в турбулентный. Переход от ламинарного режима течения к турбулентному режиму течения не является резким и происходит в широком диапазоне скорости потока. Состояние потока при таком переходе из режима в режим известно под названием "переходным" течение. Обычно профиль скоростей в переходной зоне нечетко выражен и может быть непостоянными.

[0026] На фиг. 1 показаны приведенные в качестве примера турбулентный, ламинарный и переходный профили скоростей в трубе круглого сечения. Профили скоростей в трубах некруглого сечения аналогичны показанным выше профилям. Различные режимы течения отличаются друг от друга безразмерным параметром, именуемым числом Рейнольдса (Re), определяемым как:

где:

U - средняя по сечению трубы скорость;

d - внутренний диаметр трубы;

v - кинематическая вязкость текучей среды.

[0027] Течение считается ламинарным при значении числа Рейнольдса ниже 2300, турбулентным при Re выше 5000, и переходный при значении числа Рейнольдса в интервале от 2300 до 5000. В переходной зоне от ламинарного течения к турбулентному происходит быстрое изменение параметров потока. Следовательно, при переходе от ламинарного режима течения к турбулентному режиму происходит быстрое изменение профиля скоростей, известное как неустойчивое поведение. Профиль усредненной по времени скорости, при переходе может принимать форму, зависящую от прерывистости при конкретном значении числа Рейнольдса. Прерывистый характер профиля средней скорости при переходе затрудняет измерение стабильного потока с помощью стандартной ультразвуковой системы измерения расхода. При этих условиях диаграмма погрешности измерения расхода носит сильно нелинейный характер. На фиг. 2 в качестве примера показана диаграмма, характеризующая процентную погрешность ламинарного, переходного и турбулентного потоков текучей среды. Погрешность носит равномерный и линейный характер в области первичного турбулентного потока и нелинейный характер в области ламинарного и переходного потоков. Таким образом, уменьшение значения числа Рейнольдса приводит к увеличению выраженной в процентах погрешности объемного расхода, измеренного с помощью обычных ультразвуковых систем измерения расхода, сверх предела, допустимого при передаче продукта.

[0028] В примерах осуществления настоящего изобретения предложена ультразвуковая система измерения расхода текучих сред, которая применяет свойство линейности ультразвукового измерения расхода текучих сред с числом Рейнольдса менее 1000. В отличие от этого, при использовании обычных ультразвуковых систем свойство линейности ограничивается текучими средами с числом Рейнольдса выше 5000. Таким образом, примеры осуществления изобретения могут использоваться для ультразвукового измерения вязких текучих сред, таких как тяжелая нефть или вязкие нефтепродукты, с относительно низкими значениями числа Рейнольдса.

[0029] На фиг. 3 показана ультразвуковая система 30 измерения расхода вязких текучих сред в соответствии с принципами настоящего изобретения. Система 30 обеспечивает возможность усовершенствованного измерения потока вязкой текучей среды путем управления переходом ламинарного течения в турбулентное. Система 30 содержит ультразвуковой расходомер 100, сужающий переходник 140 и стабилизатор 126 потока. Стабилизатор 126 потока расположен выше по потоку от сужающего переходника 140, расположенного, в свою очередь, выше по потоку от ультразвукового расходомера 100. Система 30 связана с потоком текучей среды через прямой отрезок трубы 134, длина которого может равняться по меньшей мере трем диаметрам трубы (диаметрам участка трубы 134) (например, от 3 до 5 диаметров трубы), расположенный выше по потоку от стабилизатора 126 потока. Участок трубы 134 может содержать полностью открытый запорный клапан. Некоторые примеры осуществления системы 30 содержат, кроме того, расширительный переходник 142, расположенный выше по потоку от отрезка трубы 134. Расширительный переходник 142 приспосабливает отрезок трубы 134 к отрезку трубы меньшего диаметра 144, расположенному выше по потоку от расширительного переходника 142. Например, если диаметр центрального отверстия отрезка трубы 134 составляет D1, расширительный переходник 142 соединяет отрезок трубы 134 с отрезком трубы 144, диаметр центрального отверстия которого равен D2, при этом D2<D1. В некоторых примерах осуществления изобретения, трубы 144 и 138 могут иметь одинаковый диаметр центрального отверстия (например, D2).

[0030] Ультразвуковой расходомер 100 содержит корпус расходомера или муфту 102, которая задает центральный канал или центральное отверстие. Верхний по потоку конец муфты 102 соединен с сужающим переходником 140 таким образом, что текучие среды, протекающие по трубе, проходят через центральное отверстие. При прохождении текучих сред через центральное отверстие ультразвуковой расходомер 100 измеряет расход (следовательно, текучая среда может быть названа измеряемой текучей средой). Муфта 102 содержит фланцы 106, которые облегчают соединение муфты 102 с сужающим переходником 140, трубой 138 или другими конструкции. Для соединения муфты 102 с конструкцией (например, с помощью болтов, зажимов, соединения сваркой) может быть использована любая подходящая система.

[0031] Для измерения расхода текучей среды в муфте 102, ультразвуковой расходомер 100 содержит множество блоков преобразователей. На виде по фиг. 3 показаны четыре таких блока преобразователей 108, 112, 116 и 120. Как будет показано ниже, блоки преобразователей расположены парами (например, блок преобразователей 108 соединен с преобразователем, расположенным на противоположной стороне муфты, который на фиг. 3 не показан). Кроме того, каждый блок преобразователя имеет электрическое соединение с управляющими электронными устройствами 124. В частности, каждый блок преобразователя имеет электрическое соединение с управляющими электронными устройствами 124 посредством соответствующего кабеля или эквивалентного блока передачи сигналов.

[0032] На фиг. 4 показан вид сверху в разрезе ультразвукового расходомера 100. Муфта 102 имеет заданный размер и определяет центральное отверстие 104, через которое протекает измеряемая текучая среда. Приведенная в качестве примера пара блоков 112 и 114 преобразователей расположена по длине муфты 102. Преобразователи 112 и 114 представляют собой акустические приемопередатчики и, в частности, ультразвуковые приемопередатчики. Ультразвуковые преобразователи 112, 114 вырабатывают и принимают акустические сигналы с частотами выше приблизительно 20 кГц. Акустические сигналы могут вырабатываться и приниматься пьезоэлектрическим элементом в каждом преобразователе. Для вырабатывания ультразвукового сигнала, пьезоэлектрический элемент электрически возбуждают посредством сигнала (например, синусоидального сигнала), на который элемент реагирует вибрацией. Вибрация пьезоэлектрического элемента вырабатывает акустический сигнал, который проходит через измеряемую текучую среду к соответствующему блоку преобразователя пары. Аналогично, под воздействием акустического сигнала, принимающий пьезоэлектрический элемент вибрирует и вырабатывает электрический сигнал (например, синусоидальный сигнал), который обнаруживают, оцифровывают и анализируют с помощью управляющих электронных устройств 124, связанных с расходомером 101.

[0033] Траектория 200, именуемая также «хордой», проходит между приведенными в качестве примера блоками преобразователей 112 и 114 под углом к средней линии 202. Длина хорды 200 представляет собой расстояние между лицевой поверхностью блока 112 преобразователя и лицевой поверхностью блока 114 преобразователя. Точки 204 и 206 определяют места входа акустических сигналов, выработанных блоками 112 и 114 преобразователей, в текучую среду, протекающую через муфту 102, и выхода из нее (то есть, вход в центральное отверстие муфты). Положение блоков 112 и 114 преобразователей может быть задано посредством угла θ, первой длины L, измеренной между лицевыми поверхностями блоков 112 и 114 преобразователей, второй длины X, соответствующей осевому расстоянию между точками 204 и 206, и третьей длины d, соответствующей внутреннему диаметру муфты. В большинстве случаев расстояния d, X, и L точно определяют в процессе производства расходомера. Измеряемая текучая среда, например, сырая нефть (или природный газ), протекает в направлении 208 с профилем 210 скорости. Векторы скорости 212, 214, 216 и 218 показывают, что скорость текучей среды через муфту 102 возрастает в направлении средней линии 202 муфты 102.

[0034] Сначала расположенный ниже по ходу потока блок 112 преобразователя генерирует ультразвуковой сигнал, который приходит на расположенный выше по ходу потока блок 114 преобразователя и, следовательно, обнаруживается им. Через некоторое время расположенный выше по ходу потока блок 114 преобразователя вырабатывает ответный ультразвуковой сигнал, который по существу попадает на расположенный ниже по ходу потока блок 112 преобразователя и регистрируется им. Таким образом, блоки преобразователей обмениваются ультразвуковыми сигналами 220 вдоль хордальной траектории 200 или играют с ними в "брось и поймай" (обеспечивают ультразвуковой контроль). Во время работы данная последовательность может возникать тысячи раз в минуту.

[0035] Время прохождения ультразвукового сигнала 220 между показанными в качестве иллюстрации блоками 112 и 114 преобразователей частично зависит от того, проходит ли акустический сигнал 220 вверх или вниз относительно потока текучей среды. Время прохождения ультразвукового сигнала вниз по ходу потока (т.е. в том же направлении, что и поток текучей среды) меньше времени прохождения этого сигнала вверх по потоку (то есть, против потока текучей среды). Время прохождения вверх по потоку и время прохождения вниз по потоку могут быть использованы для расчета средней скорости вдоль траектории сигнала, а также скорости звука в измеряемой текучей среде. Принимая во внимание результаты поперечных измерений расходомера 101, переносящего текучую среду, средняя скорость по отношению к площади центрального отверстия 104 может быть использована для нахождения объема текучей среды, протекающей через муфту 102.

[0036] Ультразвуковые расходомеры могут иметь одну или более хорд. На фиг. 5, например, показан вид сбоку ультразвукового расходомера 100, иллюстрирующий четыре хордальных траектории на разных подъемах в муфте 102. Хордальная траектория А проходит между преобразователями 108 и 110. Хордальная траектория В проходит между преобразователями 112 и 114. Хордальная траектория С проходит между преобразователями 116 и 118. Хордальная траектория D проходит между преобразователями 120 и 122. Скорость потока текучей среды может быть определена на каждой хорде для получения скоростей хордальных потоков, причем скорости хордальных потоков объединены для определения средней скорости потока по всей трубе. Из средней скорости потока может быть определено количество текучей среды, протекающей в муфте а, следовательно, и в трубопроводе.

[0037] Как правило, управляющие электронные устройства 124 вынуждают преобразователи (например, 112, 114) выдавать и принимать выходные сигналы от преобразователей. Управляющие электронные устройства 124 могут также вычислять среднюю скорость потока для каждой хорды, вычислять среднюю скорость потока для расходомера, вычислять объемный расход через расходомер, вычислять скорость звука через текучую среду и выполнять диагностику расходомера.

[0038] Для рассматриваемой хорды, скорость хордального потока v получают по формуле:

а хордальную скорость звука с получают по формуле:

где:

L - представляет собой длину траектории (т.е. расстояние между наружными поверхностями преобразователей, расположенных выше и ниже по потоку);

Х - это составляющая L в отверстии расходомера в направлении потока, а

T_up и T_dn - представляют собой соответственно время прохождения звуковой энергии через текучую среду вверх по потоку и вниз по потоку

[0039] Среднюю скорость потока через расходомер 101 получают по формуле:

где:

w_i - хордальный весовой коэффициент

v_i - измеренная скорость хордального потока, а

суммирование i осуществляют по всем хордам.

[0040] На основании результатов измерения скоростей для каждой хорды, управляющие электронные устройства 124 могут вычислять значение коэффициента профиля, как отношение внутренних хордальных скоростей к внешним хордальным скоростям. Для четырех хорд ультразвукового расходомера 100, управляющие электронные устройства 124 могут вычислять коэффициент (PF) профиля как:

где, V_a - скорость хорды А,

V_b - скорость хорды В,

V_c - скорость хорды С, а

V_d - скорость хорды D.

[0041] Возвращаясь к фиг. 3, стабилизатор потока 126 уменьшает завихрения и сильную турбулентность, а также улучшает профиль средней скорости потока текучей среды, поступающей на ультразвуковой расходомер 100. Стабилизатором потока 126 может быть выполнен, например, в виде пучка труб или перфорированной пластины, которая стабилизирует поток текучей среды, направляя его через ряд труб или небольшие отверстия.

[0042] Сужающий переходник 140 выполнен в виде концентрического переходника Вентури с углом конусности в диапазоне от 8 до 16 градусов. В некоторых примерах осуществления сужающего переходника 140 угол конусности составляет 12°. Сужающий переходник 140 может быть соединен с ультразвуковым расходомером 100 с помощью фланцевой арматуры кольцевого или иного типа, которая обеспечивает плавный внутристенный переход от сужающего переходника 140 к ультразвуковому расходомеру 100. Верхний фланец 106 ультразвукового расходомера 100 и нижний фланец 128 сужающего переходника 140 могут выравнивать поверхности внутренних стенок сужающего переходника 140 и ультразвукового расходомера 100 для обеспечения соосности центральных отверстий фланца и расходомера. Например, в некоторых примерах осуществления изобретения поверхности внутренних стенок сужающего переходника 140 и ультразвукового расходомера 100 могут быть смещены не более чем на ±0,002 дюйма (±50 мкм). Комбинация сужающего переходника 140 с расположенным выше по потоку стабилизатором потока 126 уменьшает изменение коэффициента профиля потока текучей среды в ультразвуковом расходомере 100 во время переходного течения, до значений в диапазоне, составляющем приблизительно от 1,18 до 1,8.

[0043] Для обеспечения плавного перехода ламинарного течения в турбулентное течение внутренние стенки сужающего переходника 140 и другие элементы системы измерения расхода 30 (например, трубы 134, 138, ультразвуковой расходомер 100, и т.д.) могут быть отшлифованы для уменьшения шероховатости поверхности и трения в потоке текучей среды. Например, в некоторых примерах осуществления изобретения поверхности внутренних стенок сужающего переходника 140 и/или других элементов могут быть отшлифованы посредством обработки абразивным бруском, полирования или других способов, позволяющих обеспечить высоту неровностей поверхности в диапазоне от 16 до 64 микродюйма (от 0,41 до 1,6 мкм) или менее (например, в диапазоне от 16 до 64 G по шкале шероховатости поверхности S-22).

[0044] Стабилизатор потока 126 и расположенный ниже по потоку сужающий переходник 140 объединяют для увеличения линейности ультразвукового расходомера 100 и обеспечения возможности измерения потоков текучей среды с числом Рейнольдса значительно меньшим, чем при измерении с помощью обычных ультразвуковых систем измерения. На фиг. 6 показан график зависимости изменения погрешности измерения объемного расхода (в сравнении с эталонным) от значения числа Рейнольдса для примера осуществления ультразвуковой системы измерения расхода 30 в соответствии с принципами настоящего изобретения. Эталонные измерения проводят с помощью поверочного расходомера, образцового расходомера и т.д. Как показано на фиг. 6, система измерения расхода 30 может измерять объемный расход текучих сред с погрешностью, составляющей примерно 0,2% для текучих сред с числом Рейнольдса ниже 500. В отличие от этого, обычные ультразвуковые системы измерения расхода имеют ограниченную погрешность при измерении расхода текучих сред с числом Рейнольдса выше 6000.

[0045] Управляющие электронные устройства 124 вычисляют объемный расход, Q, через расходомер 100, как произведение средней скорости потока, v_avg, на заранее заданную площадь поперечного сечения расходомера 100. Управляющие электронные устройства 124 могут вносить поправки в объемный расход, Q, на основании вычисленного мгновенного значения коэффициента профиля, PF, и коэффициента пересчета, MF, используя описываемую полиномом кривую 8 порядка (см. формулу (6)).

PF рассчитывают по формуле (5). MF определяют как отношение эталонного объема выпуска к объему, выпускаемому ультразвуковым расходомером 100 за заданный период времени:

где, Q_ref - объем контрольного эталона,

Q_lusm - объем ультразвукового расходомера жидкости, а

коэффициенты a_o - а₈ определяют при заводской калибровке эмпирическим путем (например, методом наименьших квадратов).

[0046] При расположении сужающего переходника 140 ниже по потоку от стабилизатора потока 126, скорость потока текучей среды через стабилизатор потока 126, и падение давления в стабилизаторе потока 126 уменьшаются по сравнению с обычными системами. В приведенной ниже таблице 1 показано, что обеспечиваемое системой 30 снижение потерь давления изменяется с 79% до 89% при различных диаметрах трубы.

[0047] С помощью управляющих электронных устройств 124 система измерения расхода 30 может измерять значение числа Рейнольдса и вязкость потока текучей среды, проходящего через систему 30. В частности, управляющие электронные устройства 124 обеспечивают возможность измерения числа Рейнольдса и вязкости текучей среды при любом ламинарном, переходном и турбулентном режимах потока. Электронные устройства 124 вычисляют значение числа Рейнольдса и вязкость с помощью коэффициента корреляции профиля и числа Рейнольдса. В некоторых примерах осуществления изобретения значение числа Рейнольдса вычисляют как полиномиальную функцию коэффициента профиля по формуле (8):

где мгновенный коэффициент профиля (PF) вычисляют по формуле (5), а коэффициенты c_o - c₆ определяют при заводской калибровке эмпирическим путем (например, методом наименьших квадратов).

[0048] На фиг. 7 показан график зависимости изменения коэффициента профиля от значения числа Рейнольдса ультразвуковой системы измерения расхода 30 в соответствии с принципами настоящего изобретения. В частности, на фиг. 7 показано, что примеры осуществления ультразвуковой системы измерения расхода 30 создают коэффициент профиля в диапазоне от 1,18 до 1,8 для потоков текучей среды со значением числа Рейнольдса между 5500 и 500. Электронные устройства 124 могут вычислять значение числа Рейнольдса для текучих сред, проходящих через систему 30, с числами Рейнольдса ниже приблизительно 5500, определяющими ламинарный, переходный и предтурбулентный режимы течения.

[0049] На фиг. 8 показан сравнительный график фактического значения числа Рейнольдса потока текучей среды в системе 30 с числом Рейнольдса, вычисленным электронными устройствами 124 для текучей среды в соответствии с принципами настоящего изобретения. Фиг. 8 демонстрирует, что фактические значения чисел Рейнольдса и значения чисел Рейнольдса, вычисленные с помощью электронных устройств 124 по формуле (8) имеют очень близкие значения в диапазоне от 500 до 5500. Фиг. 9 демонстрирует, что в диапазоне чисел Рейнольдса от 500 до 5500 погрешность вычисленного значения числа относительно фактического значения числа составляет менее 5%.

[0050] На основании вычисленного значения числа Рейнольдса электронные устройства 124 вычисляют кинематическую вязкость текучей среды. Электронные устройства 124 могут вычислять вязкость по формуле:

где:

U - средняя скорость потока текучей среды в системе 30, вычисленная электронными устройствами 124, с помощью, например, квадратуры Гаусса (формула (4);

d - диаметр центрального отверстия 104; а

Re - число Рейнольдса потока текучей среды в системе 30, вычисленное электронными устройствами 124 по формуле (8).

[0051] На фиг. 10 показана диаграмма фактической кинематической вязкости текучей среды и вязкости, вычисленной с помощью электронных устройств 124 по формуле (9) при значениях числа Рейнольдса в диапазоне от 500 до 5500. Как видно из фиг. 11, значения вязкости, вычисленные электронными устройствами 124, отличаются от значений фактической вязкости менее чем на 5% при значениях числа Рейнольдса в диапазоне от 500 до 5500.

[0052] На фиг. 12 показана структурная схема ультразвукового расходомера 100 в соответствии с принципами настоящего изобретения. Схема включает в себя два преобразователя 1202 и устройство обработки данных о расходе 1204. Как показано на фиг. 5, два преобразователя содержат попарно соединенные ультразвуковые преобразователи 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 и 122. В некоторых примерах осуществления изобретения число ультразвуковых преобразователей может быть разным. Устройство обработки данных о расходе 1204 может быть включено в состав электронных устройств 124. Устройство обработки данных о расходе 1204 содержит схему, которая вычисляет различные параметры потока, такие как скорость, число Рейнольдса, и т.д., рассматриваемые в настоящем описании.

[0053] Устройство обработки данных о расходе 1204 содержит процессорное устройство 1206 для вычисления скорости, процессорное устройство 1208 для вычисления объема, процессорное устройство 1212 для вычисления характеристик профиля потока, процессорное устройство 1214 для вычисления значения числа Рейнольдса и процессорное устройство 1210 для вычисления вязкости. Устройство 1204 обработки данных о расходе может управлять синхронизацией формирования ультразвуковых сигналов двумя преобразователями 1202, и принимать от двух преобразователей 1202 сигналы, свидетельствующие о приеме ультразвуковых сигналов, полученных в результате обмена между двумя преобразователями. На основании данных о синхронизации распространения ультразвуковых сигналов, полученных в результате обмена между двумя преобразователями 1202, процессорное устройство 1206 для вычисления скорости определяет скорость потока текучей среды вдоль хорды, сформированной каждой парой преобразователей, как показано в формуле (2), и вычисляет среднюю скорость потока согласно формуле (4). На основании данных о средней скорости потока, вычисленной процессорным устройством для вычисления скорости, и заданной площади поперечного сечения центрального отверстия 104, процессорное устройство 1208 для вычисления объема вычисляет объемный расход текучей среды через систему 30.

[0054] Процессорное устройство для вычисления характеристик профиля потока 1208 вычисляет мгновенное значение коэффициента профиля потока текучей среды через ультразвуковой расходомер 100. Процессорное устройство 1208 для вычисления характеристик профиля потока может рассчитать коэффициент профиля потока с помощью хордальных скоростей потока, определенных процессорным устройством 1206 вычисления скорости по формуле (5).

[0055] Процессорное устройство для вычисления значения числа Рейнольдса 1214 определяет число Рейнольдса потока текучей среды через систему 30 (например, в переходном режиме течения). Число Рейнольдса вычисляется как функция мгновенного значения коэффициента профиля, определенного процессорным устройством 1212 для вычисления характеристик профиля потока. Процессорное устройство для вычисления значения числа Рейнольдса 1214 определяет число Рейнольдса по формуле (8). Процессорное устройство 1210 для вычисления вязкости вычисляет кинематическую вязкость потока текучей среды в системе 30 (например, в переходном режиме течения) по формуле (9), на основании значения числа Рейнольдса, определенного процессорным устройством 1214 для вычисления числа Рейнольдса, средней скорости потока, определенной процессорным устройством 1206 вычисления скорости, и заданного диаметра центрального отверстия 104.

[0056] Параметры потока, вычисленные устройством 1204 обработки данных о расходе, могут передаваться в другие системы, и/или сообщаться операторам системы 30. Такая информация, например вычисленные значения числа Рейнольдса, предоставляет сведения о возможном переходе между режимами течения и потенциальном увеличении погрешности измерения.

[0057] На фиг. 13 показана структурная схема устройства 1204 обработки данных о расходе ультразвукового расходомера 100 в соответствии с принципами настоящего изобретения. Устройство 1204 обработки данных о расходе содержит процессор 1302, соединенный с запоминающим устройством 1304. В качестве процессора 1302 могут использоваться, например, универсальный микропроцессор, процессор цифровой обработки сигналов, микроконтроллер, или другое устройство, которое обеспечивает выполнение команд при проведении анализа потока, раскрытого в настоящем описании. Как правило, архитектуры процессоров содержат функциональные блоки (например, с фиксированной запятой, с плавающей запятой, целочисленные и т.п.), запоминающее устройство (например, регистры, память т.п.), средства декодирования команд, периферийные устройства (например, контроллеры прерываний, таймеры, контроллеры прямого доступа к памяти и т.п.), системы ввода-вывода (например, последовательные порты, параллельные порты и т.п.) и различные другие компоненты и подсистемы.

[0058] Запоминающее устройство 1304 обеспечивает хранение команд, выполняемых процессором 1302 для вычисления параметров потока. В качестве запоминающего устройства используется энергонезависимое машиночитаемое устройство хранения данных. Машиночитаемое устройство хранения данных может содержать энергозависимое запоминающее устройство, такое как оперативное запоминающее устройство, энергонезависимое запоминающее устройство (например, накопитель на жестких дисках, оптическое запоминающее устройство (например, компакт-диск (CD) или цифровой видеодиск (DVD)), флэш-память, постоянное запоминающее устройство) или их сочетание. Процессоры предназначены для выполнения команд. Без посторонней помощи (сами по себе) команды неспособны выполнять функции. Поэтому, в настоящем изобретении, любая ссылка на выполненную командой функцию или на команды, выполняющие функцию, является просто условным средством, указывающим на тот факт, что функция исполнена процессором, выполняющим команды.

[0059] Запоминающее устройство 1304 содержит модуль скорости 1306, модуль объема 1308, модуль вязкости 1310, модуль профиля потока 1312 и модуль числа Рейнольдса 1314, которые содержат команды, при выполнении которых процессор 1302 исполняет соответственно функции процессорного устройства 1206 вычисления скорости, процессорного устройства 1208 для вычисления объема, процессорного устройства 1210 для вычисления вязкости, процессорного устройства 1212 для вычисления характеристик профиля потока и процессорного устройства 1214 для вычисления числа Рейнольдса.

[0060] На фиг. 14 показана блок-схема способа 1400 измерения расхода вязких жидкостей с помощью ультразвукового расходомера 100 в соответствии с принципами настоящего изобретения. Несмотря на то, что для удобства действия показаны последовательно, по меньшей мере некоторые из показанных действий могут быть выполнены в другом порядке и/или выполнены параллельно. Кроме того, в некоторых примерах осуществления изобретения могут быть выполнены только некоторые из показанных действий. В некоторых примерах осуществления изобретения, по меньшей мере некоторые из операций способа 1400, а также другие операции, описанные в настоящем описании, могут быть реализованы в виде команд, хранящихся на машиночитаемом запоминающем устройстве 1304 и выполняемых процессором 1302.

[0061] В блоке 1402 нижний по потоку конец конического сужающего переходника 140 соединен со верхним по потоку концом ультразвукового измерителя 100. Угол конусности сужающего переходника 140 между его верхним и нижном по потоку концами составляет от 8 до 16 градусов. Фланцы, соединяющие сужающий переходник 140 и ультразвуковой расходомер 100, обеспечивают плавный внутристенный переход от сужающего переходника 140 к расходомеру 100. Внутренние поверхности фланцев механически обрабатывают для обеспечения соосности центральных отверстий фланца и расходомера. Например, в некоторых примерах осуществления изобретения поверхности внутренних стенок сужающего переходника 104 и расходомера 100 могут быть смещены не более чем на ±0,002 дюйма (±50 мкм). Для уменьшения трения между внутренними стенками и потоком текучей среды, проходящим через систему 30, и создания плавного перехода ламинарного течения в турбулентное, внутренние стенки сужающего переходника 140 могут быть отшлифованы для обеспечения высоты неровностей поверхности в диапазоне от 16 до 64 микродюймов (от 0,41 до 1,6 мкм).

[0062] В блоке 1404 верхний по потоку конец конического сужающего переходника 140 соединен с нижним по потоку концом стабилизатора потока 126. Стабилизатором потока 126 может служить, например, связка труб или перфорированная пластина. Верхний по потоку конец сужающего переходника 140 имеет больший диаметр, чем нижний по потоку конец сужающего переходника 140. Верхний по потоку конец стабилизатора потока 126 может быть соединен с отрезком трубы 134, диаметр которого равен диаметру стабилизатора потока 126. Верхний по потоку конец отрезка трубы 134 может быть соединен с расширительным переходником 142, который, в свою очередь, соединяет отрезок трубы 134 с трубой 144 меньшего диаметра, расположенной выше по потоку от расширительного переходника 142.

[0063] В блоке 1406, поток текучей среды проходит через стабилизатор потока 126 к сужающему переходнику 140, а от сужающего переходника 140 к ультразвуковому расходомеру 100. Стабилизатор потока 126 и расположенный ниже по потоку сужающий переходник 140 стабилизируют поток текучей среды, обеспечивая возможность точного измерения, с помощью ультразвукового расходомера 100, расхода текучих сред с числом Рейнольдса в диапазоне от 500 до 5500 с погрешностью не выше 0,2 процента. Обычные ультразвуковые системы измерения расхода не могут обеспечить необходимой точности измерений расхода в таком диапазоне. При измерении расхода потока текучих сред, ультразвуковой расходомер 100 определяет скорость потока текучей среды в каждой из нескольких хорд и вычисляет среднюю скорость в хордах.

[0064] В блоке 1410 ультразвуковой расходомер 100 вычисляет объемный расход на основании средней скорости потока и известной площади поперечного сечения центрального отверстия 104 ультразвукового расходомера 100. Объемный расход вычисляют, используя коррекцию, основанную на значении мгновенного коэффициента профиля потока текучей среды, значении коэффициента пересчета расходомера по формулам (6) и (7).

[0065] В блоке 1412, ультразвуковой расходомер 100 вычисляет значение числа Рейнольдса и кинематическую вязкость потока текучей среды, проходящего через расходомер. Для вычисления значения числа Рейнольдса, ультразвуковой расходомер 100 определяет мгновенный коэффициент профиля потока текучей среды, и вычисляет значение числа Рейнольдса как полиномиальную функцию коэффициента профиля по формуле (8). Коэффициенты полинома определяют для каждого расходомера 100 на этапе изготовления. Ультразвуковой расходомер 100 вычисляет кинематическую вязкость потока текучей среды на основании значения числа Рейнольдса, вычисленного по формуле (9).

[0066] Приведенное выше описание предназначено для иллюстрации принципов различных вариантов реализации настоящего изобретения, предложенных в качестве примера. Многие изменения и модификации будут очевидны специалистам в области техники после полного ознакомления с приведенным выше описанием. Предполагается, что приведенная далее формула изобретения охватывает все такие изменения и модификации.

1. Ультразвуковая система измерения расхода, содержащая:

ультразвуковой расходомер, содержащий два ультразвуковых преобразователя, расположенных с возможностью обмена ультразвуковыми сигналами через поток текучей среды, проходящий между преобразователями;

стабилизатор потока, расположенный выше по потоку по отношению к ультразвуковому расходомеру;

сужающий переходник, расположенный между стабилизатором потока и ультразвуковым расходомером с возможностью уменьшения площади поперечного сечения потока текучей среды, проходящего от стабилизатора потока к ультразвуковому расходомеру; и

логическую схему вычисления, выполненную с возможностью вычисления значений числа Рейнольдса и вязкости потока текучей среды в переходном режиме течения на основании мгновенного значения коэффициента профиля потока текучей среды.

2. Система по п. 1, в которой стабилизатор потока и сужающий переходник стабилизируют поток текучей среды с обеспечением измерения скорости потока текучей среды ультразвуковым расходомером с погрешностью менее 0,2 процента, при этом значение числа Рейнольдса для потока текучей среды составляет менее 1000.

3. Система по п. 1, в которой стабилизатор потока и сужающий переходник стабилизируют поток текучей среды с обеспечением измерения скорости потока текучей среды ультразвуковым расходомером с погрешностью менее 0,2 процента, при этом значение числа Рейнольдса для потока текучей среды составляет не более 500.

4. Система по п. 2, которая также содержит логическую схему вычисления расхода, выполненную с возможностью вычисления объемного расхода через ультразвуковой расходомер с использованием коррекции на основании мгновенного коэффициента профиля потока текучей среды и коэффициента пересчета расходомера, представляющего собой отношение эталонного объема выпуска к объему, выпускаемому ультразвуковым расходомером за заданный период времени.

5. Система по п. 1, в которой сужающий переходник выполнен в виде концентрического переходника Вентури с углом конусности в диапазоне от 8 до 16 градусов.

6. Система по п. 1, в которой стабилизатор потока и сужающий переходник стабилизируют поток текучей среды с обеспечением диапазона изменения коэффициента профиля потока текучей среды в переходном режиме течения в диапазоне примерно от 1,18 до 1,8.

7. Система по п. 1, в которой стабилизатор потока и сужающий переходник снижают перепад давлений в системе более чем на 75 процентов по сравнению с системой измерения расхода, содержащей стабилизатор потока, диаметр которого равен диаметру расходомера.

8. Система по п. 1, в которой логическая схема вычисления выполнена с возможностью вычисления значений числа Рейнольдса и вязкости с погрешностью менее 5 процентов, при этом диапазон значений числа Рейнольдса для потока текучей среды составляет от 500 до 5500.

9. Система по п. 1, которая дополнительно содержит соединитель, соединяющий сужающий переходник с ультразвуковым расходомером, высота неровностей поверхности которого составляет не более 64 микродюймов (1,6 микрометра).

10. Способ ультразвукового измерения, согласно которому:

соединяют нижний по потоку конец сужающего переходника с верхним по потоку концом ультразвукового расходомера;

соединяют верхний по потоку конец сужающего переходника с нижним по потоку концом стабилизатора потока и

вычисляют значения числа Рейнольдса и вязкости потока текучей среды в переходном режиме течения на основании мгновенного значения коэффициента профиля потока текучей среды;

причем внутренняя площадь поперечного сечения нижнего по потоку конца сужающего переходника меньше внутренней площади поперечного сечения верхнего по потоку конца сужающего переходника.

11. Способ по п. 10, согласно которому также измеряют среднюю скорость потока текучей среды, проходящего через ультразвуковой расходомер, с погрешностью не более 0,2 процента, при этом значение числа Рейнольдса для потока текучей среды составляет менее 500.

12. Способ по п. 10, согласно которому также вычисляют объемный расход через ультразвуковой расходомер с использованием коррекции на основании мгновенного коэффициента профиля потока текучей среды и коэффициента пересчета расходомера, представляющего собой отношение эталонного объема выпуска к объему, выпускаемому ультразвуковым расходомером за заданный период времени.

13. Способ по п. 10, в котором сужающий переходник выполнен в виде концентрического переходника Вентури с углом конусности в диапазоне от 8 до 16 градусов.

14. Способ по п. 10, согласно которому также снижают с помощью стабилизатора потока и сужающего переходника перепад давлений в стабилизаторе потока в диапазоне от 79 до 89 процентов по сравнению с перепадом давлений в системе, в которой диаметр стабилизатора потока равен диаметру ультразвукового измерителя.

15. Способ по п. 10, согласно которому также вычисляют значения числа Рейнольдса и вязкости с погрешностью менее 5 процентов, при этом диапазон значений числа Рейнольдса для потока текучей среды составляет от 500 до 5500.

16. Способ по п. 10, согласно которому также стабилизируют поток текучей среды с помощью стабилизатора потока и сужающего переходника с обеспечением изменения коэффициента профиля потока текучей среды в переходном режиме течения в диапазоне примерно от 1,18 до 1,8.

17. Ультразвуковая система измерения расхода, содержащая:

стабилизатор потока,

сужающий переходник,

ультразвуковой расходомер и

логическую схему вычисления, причем

стабилизатор потока соединен с верхним по потоку концом сужающего переходника, а ультразвуковой расходомер соединен с нижним по потоку концом сужающего переходника, причем

стабилизатор потока и сужающий переходник стабилизируют поток текучей среды, проходящий через ультразвуковой расходомер, с обеспечением измерения ультразвуковым расходомером скорости потока текучей среды с погрешностью менее 0,2 процента, при этом значение числа Рейнольдса для потока текучей среды составляет менее 5000, а

логическая схема вычисления выполнена с возможностью вычисления значений числа Рейнольдса и вязкости потока текучей среды в переходном режиме течения на основании мгновенного значения коэффициента профиля потока текучей среды.

18. Система по п. 17, которая дополнительно содержит прямой отрезок трубы, длина которого равна по меньшей мере трем его диаметрам и который соединен с верхним по потоку концом стабилизатора потока.

19. Система по п. 17, в которой значение числа Рейнольдса для потока текучей среды составляет менее 500.

20. Система по п. 17, которая дополнительно содержит логическую схему вычисления расхода, выполненную с возможностью вычисления объемного расхода текучей среды на основании коррекции, полученной из мгновенного коэффициента профиля потока текучей среды и коэффициента пересчета расходомера, представляющего собой отношение эталонного объема выпуска к объему, выпускаемому ультразвуковым расходомером за заданный период времени.

21. Система по п. 17, в которой сужающий переходник выполнен в виде концентрического переходника Вентури с углом конусности в диапазоне от 8 до 16 градусов.

22. Система по п. 17, в которой логическая схема вычисления выполнена с возможностью вычисления значений числа Рейнольдса и вязкости с погрешностью менее 5 процентов, при этом диапазон значений числа Рейнольдса потока текучей среды составляет от 500 до 5500.

23. Система по п. 17, в которой логическая схема вычисления выполнена с возможностью вычисления значений числа Рейнольдса на основании полиномиальной функции восьмого порядка мгновенного значения коэффициента профиля потока текучей среды.