Устройство для определения положения вытеснителя в калибровочном устройстве для расходомера и способ его использования - RU2544271C1

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] После извлечения углеводородов из земли поток текучей среды (такой как сырая нефть или природный газ) транспортируется из одного места в другое место по трубопроводам. Имеется потребность в точном знании количества текучей среды, протекающей в потоке, и особенно высокая точность требуется при передаче текучей среды от одного владельца к другому владельцу или при передаче продукта потребителю. Передача продукта потребителю может происходить на измерительной станции или узле для коммерческой передачи текучей среды, которые могут содержать основные передаточные элементы, такие как устройство для измерения или расходомер, калибрующее устройство, а также связанные с ними трубопроводы, клапаны и электрические средства управления. Измерение потока текучей среды, протекающей в общей системе доставочных трубопроводов, начинается в расходомере, который может содержать, например, турбинный расходомер, объемный расходомер, ультразвуковой расходомер, расходомер Кориолиса или вихревой расходомер.

[0002] Характеристики потока текучей среды могут изменяться во время доставки продукта и таким образом влиять на точность измерения доставляемого продукта. Как правило, изменения давления, температуры и расхода учитываются оператором. Эти изменения представлены как изменения характеристик потока и обычно проверяются оператором по их проявлениям и их влиянию на измерительное устройство. На рабочие характеристики расходомера могут влиять характеристики текучей среды и/или конфигурация элементов трубопровода. Обычно проверка рабочих характеристик расходомера выполняется путем калибровки расходомера посредством калибрующего устройства или прувера. Посредством прошедшего поверку калибровочного устройства, расположенного рядом с измерительным устройством в узле для коммерческой передачи продукта и гидравлически связанного с указанным измерительным устройством, делают выборку объемов текучей среды и указанные выборочные объемы сравнивают с выходными объемами измерительного устройства. В случае наличия статистически важных различий между сравниваемыми объемами выходной объем измерительного устройства регулируют для отражения фактического протекающего объема, идентифицированного калибровочным устройством.

[0003] Калибровочное устройство имеет точно известный объем, который откалиброван по известным и признанным стандартам точности, таким как предписанные Американским нефтяным институтом (API) или Международной организацией по стандартизации (ISO). Указанный точно известный объем калибровочного устройства может быть задан как объем продукта между двумя обнаруживающими переключателями, который смещен проходом вытеснителя, такого как эластомерная сфера или поршень. Известный объем, который смещен в калибровочном устройстве, сравнивают с выходным объемом расходомера. Если в результате сравнения получается нулевая или приемлемая разница, расходомер считают точным в пределах допустимых погрешностей. Если разница превышает допустимые пределы, считается, что расходомер может быть не точным. После этого выходной объем расходомера может быть отрегулирован для отражения фактического объема протекающей текучей среды, идентифицированного калибровочным устройством. Регулировка расходомера может быть сделана с использованием коэффициента коррекции. Для получения точной калибровки положение вытеснителя в калибровочном устройстве должно быть точно определено при динамическом потоке текучей среды, протекающей через калибровочное устройство. Калибровочное устройство является эталоном на месте эксплуатации, по которому калибруется измеритель.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Предложены устройство и способы для калибровки расходомера. Согласно одному из вариантов реализации калибровочное устройство для расходомера содержит проточную трубу, вытеснитель и анализатор сигналов. Вытеснитель выполнен с возможностью перемещения в проточном канале проточной трубы. Магнитная мишень расположена на вытеснителе. По меньшей мере два индуктивных преобразователя расположены на проточной трубе и выполнены с возможностью обнаружения магнитной мишени при перемещении вытеснителя в проточной трубе. Анализатор сигналов выполнен с возможностью и обнаружения сигнала, указывающего изменение индуктивности каждого преобразователя, вызванное магнитной мишенью, перемещающейся мимо преобразователя. Кроме того, анализатор сигналов выполнен с возможностью определения скорости вытеснителя на основании фронтов сигнала.

[0005] Согласно другому варианту реализации способ калибровки расходомера содержит этапы, на которых:

инициируют перемещение вытеснителя в проточной трубе калибровочного устройства потоком текучей среды. Изменяют индуктивность индуктивного преобразователя, соединенного с проточной трубой, на основании близости магнитной мишени вытеснителя с преобразователем. Обнаруживают сигнал, характеризующий изменение индуктивности. Определяют скорость вытеснителя на основании фронтов сигнала.

[0006] Согласно еще одному варианту реализации система для измерения расхода содержит калибровочное устройство расходомера. Калибровочное устройство расходомера содержит вытеснитель, расположенный в проточной трубе. Проточная труба содержит несколько индуктивных преобразователей, расположенных вдоль длины проточной трубы. Калибровочное устройство расходомера также содержит схему для генерации импульса, соединенную с каждым преобразователем. Указанная схема для генерации импульса выполнена с возможностью генерации импульса, имеющего наклон, соответствующий скорости изменения индуктивности преобразователя, вызванного перемещением вытеснителя мимо преобразователя.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Для подробного описания примерных вариантов реализации ниже будет сделана ссылка на сопроводительные чертежи, на которых:

[0008] На фиг.1 схематически показана система для калибровки расходомера согласно различным вариантам реализации.

[0009] На фиг.2 схематически показано однонаправленное калибровочное устройство согласно различным вариантам реализации.

[0010] На фиг.3 схематически показано двунаправленное калибровочное устройство согласно различным вариантам реализации.

[0011] На фиг.4 схематически показана калибрующая система, содержащая проточную трубу калибровочного устройства, вытеснитель и бесконтактные датчики близости согласно различным вариантам реализации.

[0012] На фиг.5 схематически показана калибрующая система и выходные сигналы, сформированные при прохождении вытеснителя мимо преобразователей, согласно различным вариантам реализации.

[0013] На фиг.6 показана блок-схема способа калибровки расходомера согласно различным вариантам реализации.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

[0001] Некоторые термины использованы по всему следующему ниже описанию и в пунктах приложенной формулы для ссылки на конкретные системные элементы. Для специалистов очевидно, что различные компании могут обозначать один и тот же элемент различными названиями. В настоящем документе не проводятся различия между элементами, которые отличаются названием, но не своими функциями. Если не указано иное, в следующем ниже описании и в пунктах приложенной формулы термины “включая” и “содержащий” использованы открытым способом и таким образом должны интерпретироваться в смысле “включая помимо прочего…”. Любое использование любой формы терминов “соединять”, “взаимодействовать”, “связывать”, “прикреплять”, или любого другого термина, описывающего взаимодействие между элементами, не означает ограничения взаимодействия непосредственным взаимодействием между элементами и также может включать косвенное взаимодействие между описанными элементами. Термин “текучая среда” может относиться к жидкости или газу и исключительно не относится ни к какому конкретному типу текучей среды, такой как углеводороды. Термины “труба”, “трубопровод”, “линия” или тому подобное относятся к любым средствам для транспортировки текучей среды. Выражение “на основании” означает “по меньшей мере частично на основании”. Таким образом, если Х является на основании Y, то Х может являться на основании Y и любого количества дополнительных факторов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] На чертежах и в подробном описании, которые приведены ниже, подобные части обозначены одинаковыми позиционными номерами. Фигуры чертежей не обязательно являются масштабированными. Некоторые особенности изобретения могут быть показаны в увеличенном масштабе или схематически, и некоторые детали известных элементов могут быть не показаны в целях ясности и краткости. Настоящее изобретение может быть реализовано в различных вариантах. Ниже подробно описаны и показаны на чертежах конкретные варианты реализации настоящего изобретения, но следует понимать, что указанные конкретные варианты реализации настоящего изобретения являются только иллюстрацией принципов настоящего изобретения и не предназначены служить ограничением настоящего изобретения, показанного и описанного в настоящей заявке. Следует понимать, что различные принципы и элементы вариантов реализации настоящего изобретения, описанные ниже, могут быть использованы как отдельно, так и в любой подходящей комбинации, для достижения желательных результатов.

[0015] Устройства согласно вариантам реализации настоящего изобретения могут быть использованы с калибровочным устройством для расходомера для точного определения динамического положения вытеснителя в проточной трубе калибровочного устройства для расходомера. Устройства согласно вариантам реализации настоящего изобретения могут быть применены к калибровочным устройствам с двунаправленным или однонаправленным перемещением текучей среды в проточной трубе калибровочного устройства. Термин “Калибровочное устройство вытеснительного типа” является общим термином, использованным в настоящем описании калибровочного устройства для расходомера. Устройства согласно вариантам реализации настоящего изобретения не ограничены указанным “Калибровочным устройством вытеснительного типа” и также могут быть использованы с “Малообъемным калибровочным устройством”, "Компактным калибровочным устройством" или любым другим устройством, для которого желательным является точное определение динамического положения смещающегося элемента поршневого типа или подобного ему типа. Варианты реализации могут быть применены для калибровки измерителей в импульсах на единицу объемной производительности с известным калибровочным устройством вытеснительного типа, для которого расходомер генерирует минимум 10000 импульсов во время калибровки или меньше 10000 импульсов при использовании двойной синхронизации или способа вставки импульса, как описано в Стандартах Американского нефтяного института (API). Измерители с альтернативными типами выходов также могут быть использованы с устройствами согласно вариантам реализации настоящего изобретения, описанными в настоящей заявке, с применением соответствующего стробирования показаний расходомера между детекторами, расположенными на проточной трубе калибровочного устройства.

[0016] Для определения положения вытеснителя в калибровочном устройстве расходомера могут быть использованы различные способы и устройства. К ним относятся механические переключатели плунжерного типа, оптические переключатели, переключатели, которые активируются штоком, проходящим от вытеснителя в проточной трубе за пределы проточной трубы, магнитные герконовые реле и переключатели магнитного типа, в которых использован магнитный материал для смещения магнита, которым активируется переключатель, и т.п.. Все эти устройства имеют ограниченный диапазон температур, уменьшенный по сравнению устройствами согласно настоящему изобретению, описанными в настоящей заявке, и таким образом являются не подходящими для использования при очень низких или очень высоких температурах, а также имеют точность ниже желательной, к тому же в более узких температурном и динамическом диапазонах. В устройствах согласно настоящему изобретению использована технологии, согласно которой выход индуктивного преобразователя улучшен новыми и инновационными технологиями для обеспечения точного динамического обнаружения положения вытеснителя, перемещающегося сквозь поверхность преобразователя (например, перемещающегося перпендикулярно его поверхности). Калибровочные устройства в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, описанного в настоящей заявке, действуют в диапазоне температур от примерно -380°F (-230°C) до примерно 800°F (425°C). Устройства согласно настоящему изобретению являются совместимыми со стандартами API, стандартами Международной организации стандартов (ISO) или другими стандартами, которые применяются для корректировки объема текучей среды, измеренного при рабочей температуре, до “стандартных” или основных температурных условий и режимов давления, используемых для приемки-сдачи текучих сред.

[0017] На фиг.1 схематически показана система 10 для калибровки расходомера 12 согласно различным вариантам реализации. Согласно одному варианту реализации расходомер 12 является турбинным измерителем. Основанный на вращении турбинообразной конструкции в потоке 11 текучей среды турбинный расходомер генерирует электрические импульсы 15, причем каждый импульс является пропорциональным объему, а частота следования импульсов пропорциональна объемному расходу. Согласно другим вариантам реализации системы 10 расходомер 12 может представлять собой расходомер положительного смещения, ультразвуковой расходомер, расходомер Кориолиса или вихревой расходомер, или любой известный расходомер. Объем расходомера 12 может быть соотнесен с объемом калибровочного устройства 100 на основании смещения вытеснителя в калибровочном устройстве 100. В системе 10 калибровочное устройство 100 расположено выше по течению потока расходомера 12. Согласно другим вариантам реализации калибровочное устройство 100 может быть расположено ниже по течению потока расходомера 12. В целом, вытеснитель вынужден сначала перемещаться мимо расположенного выше по течению потока детектора 16, затем мимо расположенного ниже по течению потока детектора 18 в калибровочном устройстве 100.

[0018] Объем между детекторами 16 и 18 является калиброванным объемом калибровочного устройства. Объем может быть калиброван до высокой степени точности способом извлечения воды или другим способом, рекомендованным в стандарте API или других международных стандартах. При способе извлечения воды чистую воду прокачивают через проточную трубу калибровочного устройства в испытательные мерные емкости, сертифицированные Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) или другой метрологической организацией. Начало и окончание заполнения испытательных мерных емкостей стробированы действием детекторов 16, 18 при перемещении вытеснителя вдоль проточной трубы. Измеряются температура воды в испытательной мерной емкости, а также температура и давление воды в калибровочном устройстве, и для смещенного объема выполняется коррекция к основным условиям стандартной температуры и давления. Таким образом, может быть точно установлен смещенный объем между детекторами.

[0019] Перемещающийся вытеснитель в первую очередь активирует или переключает детектор 16, так что время t₁₆ начала (на фиг.1) передается в процессор или компьютер 26. Затем процессор 26 принимает импульсы 15 от расходомера 12 посредством сигнальной линии 14. Перемещающийся вытеснитель наконец вызывает срабатывание детектора 18 для регистрации времени t₁₈ окончания и, таким образом, последовательности 17 собранных импульсов 15 для одиночного прохода вытеснителя. Последовательность 17 импульсов 15, сгенерированных расходомером 12 во время одиночного прохода вытеснителя вдоль калиброванной емкости калибровочного устройства, указывают объем, измеренный расходомером в течение интервала от времени t₁₆ до времени t₁₈. Путем сравнения калиброванного объема калибровочного устройства с объемом, измеренным расходомером 12, расходомер 12 может быть скорректирован на основании объемного расхода, заданного калибровочным устройством 100.

[0020] На фиг.2 показан конкретный вариант реализации калибровочного устройства 100, который содержит вытеснитель компактного калибровочного устройства 100. Вытеснитель 102 (в качестве смещающего элемента одного из типов) расположен в проточной трубе 104 с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Труба 120 обеспечивает возможность протекания потока 106 от основного трубопровода к входному отверстию 122 проточной трубы 104. Поток 108 текучей среды перемещает вытеснитель 102 вдоль расходомерной трубы 104 и в конечном счете выходит из проточной трубы 104 через выходное отверстие 124. Проточная труба 104 и вытеснитель 102 также могут быть соединены с другими элементами, такими как пружинная камера 116, которая может содержать смещающую пружину для тарельчатого клапана, расположенного в вытеснителе 102. Камера 118 также может быть соединена с проточной трубой 104. На чертеже также показаны гидравлический насос и двигатель 110, которые соединены с трубой 120 и камерой 116. Гидравлический резервуар 112, управляющий клапан 114 и линия гидравлического давления 126 также соединены с камерой 116.

[0021] Калибровочное устройство 100 содержит мишень 130, которая может быть расположена в различных местах вдоль осевой длины вытеснителя 102. Проточная труба 104 содержит по меньшей мере один преобразователь 128, который также может быть расположен в различных местах вдоль осевой длины проточной трубы 104, для обнаружения прохода мишени 130. Мишень 130 является инициатором срабатывания при входе в калиброванную измерительную секцию и выходе из калиброванной измерительной секции проточной трубы 104 калибровочного устройства 100.

[0022] По меньшей мере один преобразователь 128 является индуктивным неконтактным детектором и может быть установлен на проточной трубе калибровочного устройства 104 таким образом, что между магнитным материалом вытеснителя 102 (или магнитным материалом, расположенным на вытеснителе 102) и преобразователем или преобразователями 128 отсутствует физический контакт. Каждый преобразователь 128 может быть установлен на проточной трубе 104 с использованием механического крепежного средства, такого как резьба, между преобразователем 128 и монтажным основанием на проточной трубе 104, болтового соединения, хомутов, зажимов или других физических средств. Преобразователь 128 может быть установлен перпендикулярно оси проточной трубы 104 или под любым другим углом относительно проточной трубы 104. Поверхность преобразователя 128 может проходить в отверстие, выполненное в проточной трубе 104, и может быть расположена вровень с внутренней поверхностью, в углублении во внутренней поверхности, или может быть расположена в несквозном отверстии без пересечении внутренней поверхности проточной трубы 104. Согласно другому варианту реализации поверхность преобразователя 128 может быть расположена за пределами проточной трубы 104 на ее внешней поверхности или на некотором расстоянии от внешней поверхности проточной трубы 104 с использованием крепления из немагнитного материала.

[0023] Зазор между поверхностью преобразователя 128 и магнитным материалом, расположенным на вытеснителе, или непосредственно вытеснителем может быть отрегулирован глубиной отверстия, глубиной расположения преобразователя 128 в отверстии или другим параметром установки или расположения устройства. Проточная труба 104 может быть выполнена из немагнитного материала или из парамагнитного материала. Примеры немагнитного материала включают цветные металлы, пластики, стекло или композитные материалы, такие как армированные стекловолокном пластики, эпоксидная смола или полимеры. Парамагнитные материалы включают металлические сплавы некоторых типов и коррозионностойкие и нержавеющие стали различных типов, термически обработанных для улучшения немагнитных или парамагнитных свойств. Схожим образом, вытеснитель 102 может быть выполнен из любого из описанных выше материалов. Верхний температурный порог рабочей температуры калибровочного устройства определен температурой Кюри магнитного материала, расположенного на вытеснителе. Преобразователь 128 выполнен с возможностью генерации сигнала или “импульса” при прохождении магнитного материала, расположенного на вытеснителе 102, или непосредственно вытеснителя 102, если он имеет магнитные свойства, мимо поверхности преобразователя 128.

[0024] На фиг.3 схематически показано двунаправленное калибровочное устройство 200 согласно настоящему изобретению. В двунаправленном калибровочном устройстве 200 вытеснитель 102 перемещается назад и вперед в проточной трубе 104 вдоль калибрующей секции, ограниченной преобразователями 128. Проточная труба 104, вытеснитель 102 и преобразователи 128 расположены, как описано выше в отношении калибровочного устройства 100, с адаптацией для использования в двунаправленном калибровочном устройстве 200. Преобразователи 128 являются индуктивными неконтактными датчиками, и вытеснитель 102 содержит магнитную мишень. Двунаправленное калибровочное устройство 200 содержит пусковые клапаны 222, 224 и золотниковый клапан 204, который открывается и закрывается под управлением процессора 26. Положения клапанов определяют направление перемещения вытеснителя 102 в проточной трубе 104. Как показано на фиг.3, при закрытом пусковом клапане 214 пусковой клапан 216 является открытым, золотниковый элемент 206 пересекает поток из коллекторного трубопровода 228, пусковой трубопровод 222 является блокированным, и поток текучей среды направлен через обходной золотниковый трубопровод 218, в результате чего вытеснитель 102 перемещается вправо. Схожим образом, при закрытом пусковом клапане 216 пусковой клапан 214 является открытым, и элемент 206 золотникового клапана пересекает поток из коллекторного трубопровода 226, пусковой трубопровод 224 заблокирован, и поток текучей среды направлен через обходной золотниковый трубопровод 220, в результате чего вытеснитель 102 перемещается влево. Другие варианты реализации двунаправленного калибровочного устройства 200 могут содержат клапаны других типов и/или другие конфигурации трубопроводов и клапанов для текучей среды. Варианты реализации настоящего изобретения охватывают все такие изменения.

[0025] На фиг.4 показана схема калибрующей системы 300, которая содержит проточную трубу 104 калибровочного устройства, вытеснитель 102 и бесконтактные датчики 128 близости, расположенные на проточной трубе 104. Калибрующая система 300 может быть использована для реализации калибровочных устройств 100, 200, показанных на фиг.1-3. На фиг.4 для наглядности показано одно направление потока, но варианты реализации калибрующей системы 300 могут быть использованы с двунаправленным потоком. Калибрующая система 300 содержит блок 302 для нормирования сигнала, соединенный с каждым из преобразователей 128. Бесконтактный датчик 128 содержит, например, по меньшей мере один электрическую катушку (по меньшей мере две катушки согласно некоторым вариантам реализации), заключенные в герметичном корпусе из немагнитного или парамагнитного материала. Принцип работы преобразователя 128 основан на изменении индуктивности катушек при прохождении магнитного материала 130, расположенного на вытеснителе 102, мимо поверхности преобразователя 128. Магнитный материал 130 может представлять собой материал с высокой магнитной проницаемостью, такой как HYMU 80 или любой другой магнитный материал.

[0026] Катушки возбуждены напряжением переменного тока с частотой, выбранной с возможностью обнаружения изменения индуктивности, когда магнитные материал 130 находится в непосредственной близости к катушкам преобразователя. Этот принцип используется в соединении с блоком 302 для нормирования сигнала для генерации выходного сигнала, содержащего изменение тока или изменение напряжения, соответствующие изменению индуктивности. Блок 302 для нормирования сигнала содержит схему, которая генерирует напряжение переменного тока для катушек, принимает и нормирует изменение индуктивности в катушках при обнаружении указанного изменения и усиливает и фильтрует выходной сигнал от катушек для выработки выходного сигнала, который соответствует изменению положения магнитного материала 130. Результирующий выходной сигнал соотнесен с точным линейным перемещением вытеснителя 102 мимо поверхности преобразователя 128. Выходной сигнал может быть аналоговым или цифровым.

[0027] Анализатор 304 сигнала соединен с блоками 302 для нормирования сигнала. Анализатор 304 сигнала может быть электронным устройством для регистрации данных или для получения и накопления данных, потоковым компьютером, ноутбуком, портативным компьютером, традиционным компьютером или другим электронным устройством для хранения и отображения данных, которое может принимать и анализировать выходной сигнал, сгенерированный блоком 302 для нормирования сигнала. Анализатор 304 сигнала может соответствовать процессору 26, показанному на фиг.1, 3. Предыдущее использование индуктивных преобразователей в калибрующих системах является подходящим для относительно медленного перемещения магнитного объекта в направлении, совпадающем с осевым направлением преобразователя. Варианты реализации настоящего изобретения предпочтительно обеспечивают возможность относительно быстрого динамического перемещения магнитного материала 130 мимо поверхности преобразователя 128 для обеспечения широкого диапазона рабочих скоростей от 0 до 5 футов в секунду (1,5 м/сек) или выше.

[0028] Различные элементы калибрующей системы 300, включая по меньшей мере некоторые части блока 302 для нормирования сигнала и анализатора 304 сигнала, могут быть реализованы с использованием по меньшей мере одного процессора, включенного в калибрующую систему 300. Процессоры исполняют коды программного обеспечения, в результате чего осуществляется выполнение описанных в настоящей заявке операций. Согласно некоторым вариантам реализации анализатор 304 сигналов содержит исполняемые процессором коды программного обеспечения, которые принуждают процессор определять положение вытеснителя 102 и/или скорость на основании сигнала, соответствующего изменению индуктивности, сгенерированного блоком 302 для нормирования сигнала, и/или выполнять другие описанные в настоящей заявке операции.

[0029] Подходящие процессоры включают, например, микропроцессоры общего назначения, цифровые сигнальные процессоры и микроконтроллеры. Архитектура процессора в целом содержит исполнительные блоки (например, для операций с фиксированной точкой, с плавающей запятой, с целыми числами, и т.п.), запоминающие устройства (например, регистры, память, и т.п.), блоки декодирования инструкций, периферийные блоки (например, контроллеры прерываний, таймеры, контроллеры прямого доступа к памяти, и т.п.), системы ввода-вывода (например, последовательные порты, параллельные порты, и т.п.), а также различные другие элементы и подсистемы. Программное обеспечение, которое принуждает процессор выполнять операции, описанные в настоящей заявке, может быть сохранено в читаемом компьютером носителе данных, внутреннем или наружном относительно калибрующей системы 300. Читаемый компьютером носитель данных содержит энергозависимое запоминающее устройство, такое как запоминающее устройство с произвольным доступом, энергонезависимое запоминающее устройство (например, флэш-память, постоянное запоминающее устройство, оптический диск, накопитель на жестких дисках, и т.п.), или комбинации описанного выше.

[0030] Некоторые варианты реализации могут обеспечить реализацию частей калибрующей системы 300, включая части блока 302 нормирования сигнала и анализатор 304 сигналов, с использованием выделенной схемы (например, выделенной схемы, реализованной в форме интегральной микросхемы). Согласно некоторым вариантам реализации может быть использована комбинация выделенной схемы и процессора, исполняющая подходящее программное обеспечение. Например, некоторые части анализатора 304 сигналов могут быть реализованы с использованием схемы процессора или аппаратных средств. Выбор варианта реализации аппаратных средств или процессора/программного обеспечения вариантов реализации является проектным решением, основанным на различных факторах, таких как стоимость, срок реализации и возможность встраивания измененных или дополнительных функциональных средств в будущем.

[0031] На фиг.5 показаны электрический выходной сигнал 402 и импульс 404, выработанные блоком 302 нормирования сигнала при прохождении магнитного материала 130, расположенного на вытеснителе 102, рядом с поверхностью бесконтактного датчика 128. Горизонтальная ось на схеме отображает увеличение времени и расстояние перемещения вытеснителя 102 для визуального представления выходного импульса 404, сгенерированного нормирующим блоком 302, при прохождении вытеснителя 102 мимо преобразователя 128. Импульс может иметь синусоидальную, прямоугольную или любую другую желательную форму. В “неподвижном” положении, в котором вытеснитель 102 является неподвижным или расположен в отдалении от преобразователя 128, выход (напряжение или ток) блока 302 нормирования сигнала по существу является постоянным. Величина постоянного выхода может быть отрегулирована внутри блока 302 нормирования сигнала как “нулевой уровень” или как “максимум измеряемой величины”, или как любой интервал между нулевым и максимальным значение для представления положения вытеснителя 102, не находящегося в непосредственной близости к преобразователю 128.

[0032] При достижении вытеснителем 102 преобразователя 128, так что магнитный материал 130 сближен с поверхностью преобразователя 128, выходной сигнал 402 изменяется в отрицательном или положительном направлении в зависимости от установки на нуль и масштабирования выходного сигнала 402. Выходной сигнал 402 имеет минимальную величину (или максимальную величину, в зависимости от установки на нуль и масштабирования), когда магнитный материал 130 находится непосредственно на одной линии, проходящей в осевом направлении через электрический индуктивный “центр” преобразователя 128. Электрический центр в целом может быть физическим центром преобразователя 128, но также может отличаться в некоторой степени в зависимости от конструкции и калибровки преобразователя 128. Регулировка и калибровка выхода могут быть выполнены с фактическими преобразователями 128, установленными на проточной трубе 104.

[0033] В вариантах реализации настоящего изобретения выход преобразователя 128 использован уникальным и инновационным способом для обнаружения линейного положения вытеснителя 102 в проточной трубе калибровочного устройства 104. Кроме того, в вариантах реализации настоящего изобретения использован выход одиночного преобразователя 128 для установления двух различных и уникальных точек обнаружения, относящихся к положению вытеснителя 102. Для коррелирования выходного сигнала 402 с точным положением вытеснителя 102 анализатор 304 сигналов обнаруживает или “переключается” в точке на графике импульса 404 выходного сигнала, которая обеспечивает желательную повторяемость и разрешение выхода относительно положения вытеснителя 102. Анализатор 304 сигналов может выполнять обнаружение или переключение путем сравнения выходного сигнала 402 с конкретным заданным значением величины с использованием достаточного разрешения и быстродействия для достижения желательных повторяемости и разрешения для определения положения вытеснителя. Например, анализатор 304 сигналов может содержать и использовать аналоговый компаратор напряжений или токов, который сравнивает выходной сигнал 402 с триггерным значением или значением точки обнаружения и генерирует триггерное указание, основанное на выходном сигнале 402, точно согласованном с триггерным значением. Для обеспечения желательного определения положения вытеснителя также могут быть использованы другие средства, такие как прямой цифровой анализ, в котором выходной сигнал 402 переводят в цифровую форму и сравнивают с триггерным значением или обрабатывают иным способом. Согласно некоторым вариантам реализации анализатор 304 сигналов задает оптимальные рабочие характеристики для компаратора или триггерного устройства и таким образом обеспечивает возможность использования максимальной чувствительности преобразователя 128 для определения линейного положения вытеснителя 102.

[0034] Как показано на фиг.5, при приближении магнитного материала 130 к преобразователю 128 наклон выходного импульса 404 (в вольтах на единицу изменения линейного перемещения или dV/dX) вначале является менее крутым, затем становится более крутым на расстоянии перед тем, как магнитный материал 130 окажется непосредственно на одной линии со средней линией преобразователя 128. Когда магнитный материал 130 находится в центре или приблизительно в центре электрического поля преобразователя 128, выходной импульс 404 имеет приблизительно нулевой наклон. Если для обнаружения положения вытеснителя 102 используется точка минимального наклона импульса выходного сигнала 404, разрешение положения вытеснителя 102 будет ниже, чем при использовании точки с максимальным наклоном огибающей импульса 404. Изменение напряжения в точке с минимальным наклонном огибающей импульса 404 может быть очень медленным относительно изменения смещения по сравнению со значительно большим изменением напряжения на единицу смещения в точке с максимальным наклонном огибающей импульса. Таким образом, в анализаторе сигналов 304 согласно некоторым вариантам реализации использован максимальный наклон импульса 404 или максимальная скорость изменения выходного сигнала 402 на единицу линейного перемещения в качестве точки обнаружения или точки запуска для достижения максимального разрешения при обнаружении положения вытеснителя 102.

[0035] При увеличении скорости вытеснителя 102 выходной импульс 404 может показать задержку в ответ на возрастающее изменение положения вытеснителя 102. Сдвиг в обнаружении положения происходит в одном направлении и может иметь ту же величину для других преобразователей 128, установленных и откалиброванных на том же самом калибровочном устройстве 300 для расходомера при условии, что скорость вытеснителя 102 является одинаковой для каждого преобразователя 128. Однако для точной калибровки расходомера расход должен быть однородным при скорости вытеснителя, приблизительно постоянной в течение времени прохождения вытеснителем 102 расстояния между преобразователями 128, которые используются для запуска начала и конца регистрации выхода расходомера.

[0036] Согласно вариантам реализации настоящего изобретения результаты калибровки анализируются для определения, является ли постоянной средняя скорость прохождения вытеснителя 102 в калибровочном устройстве 300 и одинаковой при прохождении вытеснителя 102 мимо каждого из преобразователей 128. Соответственно, анализатор 304 сигналов сравнивает время перемещения между точками обнаружения на падающем и возрастающем участках (например, на краях импульса 404) отдельно для каждого преобразователя 128. Поскольку расстояние между точками обнаружения на падающем и возрастающем участках является очень коротким, время перемещения обеспечивает точное значение скорости вытеснителя 102 при его прохождении мимо одиночного преобразователя 128. Анализатор 304 сигналов также использует время транспортировки между двумя преобразователями 128 для сравнения средней скорости вытеснителя по меньшей мере среди двух наборов преобразователей 128. Затем результаты указанного сравнения могут быть использованы для определения факта искажения результатов калибровки за счет неоднородности расхода через калибровочное устройство 300 для расходомера с использованием следующего соотношения:

где V - скорость вытеснителя,

Q - расход, и

А - площадь поперечного сечения проточной трубы 104.

Величина неоднородности потока свидетельствует о том, находится ли стабильность расхода в пределах допуска для точной и повторяемой калибровки расходомера.

[0037] В вариантах реализации настоящего изобретения также используется способ оценки “достоверности” рабочих характеристик преобразователя в соединении с преобразователем 128, блоком 302 нормирования сигнала и анализатором 304 сигналов (таким как компьютер с функциями отображения на дисплее или распечатывания на принтере). Согласно вариантам реализации устанавливают основные рабочие характеристики для каждого преобразователя 128 путем записи “снимка” выходного сигнала (например, волновой формы сигнала 402) в зависимости от времени во время операции инициирования калибровочного устройства 300 для расходомера. Операция инициирования калибровочного устройства 300 может быть выполнена во время калибровки калибровочного устройства 300 или во время поверки калибровочного устройства 300 при вводе в эксплуатацию для использования с конкретными текучей средой и расходомером или расходомерами 12.

[0038] Снимки рабочих характеристик записаны с различными текучими средами и расходами в диапазоне, в котором используется калибровочное устройство 300. Первоначально записанные снимки периодически могут сравниваться с записанными в настоящее время снимками, полученными в ходе фактической работы, для определения, действуют ли преобразователи 128 и связанные с ними схемы (например, нормирователь сигнала 128) надлежащим образом.

[0039] Кроме того, устройства согласно описанным вариантам реализации могут оценивать рабочее состояние преобразователя 128 путем сравнения времени перемещения между точками обнаружения на падающем и возрастающем участках (например, между передним и задним фронтами импульса 404) для одиночного преобразователя 128 с предыдущим временем перемещения для преобразователя 128 при той же скорости вытеснителя 102. Для такой оценки расход должен быть стабильным, как указано выше. Указанная оценка может быть выполнена во время поверки калибровочного устройства способом извлечения воды, известным в области поверки калибровочных устройств для расходомера, а также на периодической основе после указанной поверки.

[0040] Устройства согласно настоящему изобретению также могут оценивать работоспособность или рабочие характеристики преобразователя путем оценивания четырех точек обнаружения вытеснителя (например, на восходящих и падающих фронтах импульсов) для импульсов, сгенерированных двумя преобразователями 128, расположенными на проточной трубе 104 калибровочного устройства.

[0041] Анализатор 304 сигналов может запускаться на одном или обоих из падающего и нарастающего фронтах импульса 404 выхода преобразователя. Импульс 404 генерируется преобразователем 128 в качестве реакции на магнитный материал 130, расположенный на вытеснителе 102. При приближении переднего края магнитного материала 130 к преобразователю 128 сигнал 402 уменьшается до минимума в точке, в которой магнитный материал 130 расположен точно или приблизительно точно в электрическом или магнитном центре поверхности преобразователя 128. При удалении магнитного материала 130 от преобразователя 128 сигнал 402 увеличивается до тех пор, пока задний край магнитного материала 130 не пройдет мимо преобразователя 128. В свою очередь, для инвертирования импульса могут быть выполнены разнос преобразователей и установка устройства на нуль в случае необходимости.

[0042] Точка обнаружения может быть установлена для обоих падающего и нарастающего фронтов выходного сигнала 402 того же самого преобразователя 128. Одиночный преобразователь 128 обеспечивает две точки обнаружения, расстояние между которыми пропорционально физическому размеру магнитного материала 130. Два преобразователя 128 могут быть использованы для задания четырех калиброванных объемов на калибровочном устройстве 100 для калибровки расходомера способом извлечения воды или подобным способом. Дополнительные преобразователи могут быть использованы для задания дополнительных калиброванных объемов в случае необходимости.

[0043] На фиг.5 показан пример четырех объемов, которым соответствуют точки обнаружения, сформированные указанными двумя преобразователями 128. Объемы и расстояния могут быть измерены в соответствии с установленными промышленными допусками, известными специалистам. Соотношения линейных расстояний являются следующими:

D₁+D₂=D₃+D₄.

[0044] В устройстве согласно настоящему изобретению данные соотношения используются для еще одного способа проверки работоспособности преобразователя. Указанные четыре расстояния D₁, D₂, D₃ и D₄ относятся к указанным четырем объемам для калибровки способом извлечения воды соответственно. Таким образом, регистрация указанных четырех измеренных выходов определяется теми же самыми соотношениями:

VOL₁+VOL₂=VOL₃+VOL₄.

[0045] Путем проверки указанных четырех измеренных объемов для калибровки расходомера 12 с поправкой на базовые температуру и режимы давления, как указано в Стандартах API, примененной к описанным выше соотношениям, согласно вариантам реализации определяют, функционирует ли система для обнаружения в пределах требуемого допуска на повторяемость.

[0046] Во время калибровки способом извлечения воды калибровочного устройства с двумя известными обнаруживающими переключателями, соединенными параллельно, вероятность временной “потери” вытеснителя в случае, если известный обнаруживающий переключатель не сгенерирует выходной сигнал после прохождения вытеснителя, является очень небольшой. Такая временная потеря вытеснителя представляет собой проблему по причине низкой скорости потока, необходимой для калибровки калибровочного устройства. Если какой-либо переключатель дает сбой, возникает задержка во времени, пока вытеснитель перемещается от одного переключателя к второму переключателю. Если отказали оба переключателя, то вытеснитель по всей видимости будет потерян в этом положении, или его положение останется неопределенным.

[0047] Согласно вариантам реализации настоящего изобретения направление перемещения вытеснителя является известным. Направление определяется путем записи или отображения точек обнаружения на падающем и возрастающем фронтах сигнала 402 относительно координаты времени. Поток текучей среды через проточную трубу 104 перемещает вытеснитель 102 в направлении потока. При выходе преобразователя 128 (т.е., сигнала 402), установленного на ноль и масштабированного, как показано на фиг.5, точка обнаружения на падающем фронте появится раньше точки обнаружения на возрастающем фронте. И наоборот, если импульс является инвертированным по сравнению с показанным на фиг.5, то точка обнаружения на возрастающем фронте появится раньше точки обнаружения на падающем фронте. Временная последовательность указанных двух точек обнаружения обеспечивает указание направления перемещения вытеснителя 102 за очень короткое время, которому соответствует относительно небольшое расстояние перемещения вытеснителя 102, при инициировании генерации выходного импульса (и двух точек обнаружения) одиночным преобразователем 128.

[0048] На фиг.6 показана блок-схема способа 500 калибровки расходомера 12 согласно различным вариантам реализации. Несмотря на то, что этапы предложенного способа в целях наглядности показаны в конкретной последовательности, по меньшей мере некоторые из показанных этапов могут быть выполнены в другом порядке и/или выполнены параллельно. Кроме того, некоторые варианты реализации могут содержать выполнение только некоторых из показанных этапов. Согласно некоторым вариантам реализации по меньшей мере некоторые из этапов, показанных на фиг.6, а также других этапов, описанных в настоящей заявке, могут быть осуществлены в качестве команд, сохраненных в читаемом компьютером носителе и исполненных по меньшей мере одним процессором.

[0049] При способе 500 калибровочное устройство 300 для расходомера может быть гидравлически соединено с расходомером 12, расположенным выше по течению потока или ниже по течению потока расходомера 12. На этапе 502 поток текучей среды в проточной трубе 104 вызывает перемещение вытеснителя 102 вдоль проточной трубы 104. Индуктивные преобразователи 128 расположены вдоль проточной трубы 104. Вытеснитель 102 содержит магнитную мишень 130.

[0050] На этапе 504 индуктивность преобразователей 128 изменяется в соответствии с приближением магнитной мишени 130 к преобразователю 128. На этапе 506 блок 302 нормирования сигнала обнаруживает изменение индуктивности преобразователя 128 и на этапе 508 генерирует выходной сигнал 402, который содержит импульс 404 или другой сигнал, представляющий изменение индуктивности преобразователя 128. Наклон импульса 404 может соответствовать скорости изменения индуктивности преобразователя 128.

[0051] На этапе 510 анализатор 304 сигналов обрабатывает сигнал и идентифицирует точки, характеризующие максимальную скорость изменения индуктивности преобразователя. Указанные точки могут быть точками максимального наклона каждого из возрастающего и падающего фронтов импульса 404. Точки максимального наклона соответствуют точкам максимальной скорости изменения индуктивности преобразователя 128 при приближении магнитной мишени 130 к преобразователю 128 и ее перемещении мимо преобразователя 128. Согласно некоторым вариантам реализации точки максимальной скорости изменения индуктивности могут быть идентифицированы на основании уровня напряжения или тока сигнала.

[0052] На этапе 512 анализатор 304 сигналов определяет скорость и/или положение вытеснителя 102 на основании идентифицированных точек максимальной скорости изменения индуктивности (например, точек максимального наклона). Скорость вытеснителя может быть определена на основании времени между идентифицированными точками и расстояния, пройденного мимо преобразователя 128.

[0053] На этапе 514 анализатор 304 сигналов определяет постоянство скорости перемещения вытеснителя в проточной трубе 104 путем сравнения скорости вытеснителя, вычисленной для каждого импульса преобразователя 404, с использованием идентифицированных точек.

[0054] На этапе 516 анализатор 304 сигналов определяет направление перемещения вытеснителя на основании идентифицированных точек.

[0055] На этапе 518 анализатор 304 сигналов проверяет рабочие характеристики калибровочного устройства 300 для расходомера. Согласно некоторым вариантам реализации на данном этапе проверяют рабочие характеристики калибровочного устройства 300 путем сравнения времени между идентифицированными точками максимального наклона импульса 404 с предварительно зарегистрированными временами между точками максимального наклона базового или эталонного импульса для данной скорости вытеснителя. Согласно некоторым вариантам реализации на данном этапе проверяют рабочие характеристики калибровочного устройства 300 путем проверки нескольких объемов, заданных первой идентифицированной точкой максимального наклона импульса 404 от одного преобразователя 128 и второй идентифицированной точкой максимального наклона импульса 404 от другого преобразователя 128.

[0056] Описанное выше обсуждение предназначено для иллюстрации различных принципов и вариантов реализации настоящего изобретения. Несмотря на то, что выше были показаны и описаны некоторые конкретные варианты реализации настоящего изобретения, специалисты могут внести в них изменения без отступления от идеи и объема защиты настоящего изобретения. Описанные в настоящей заявке варианты реализации являются только примерами и не ограничивают настоящее изобретение. Например, для краткости, варианты реализации настоящего изобретения описаны со ссылкой на конкретные типы и конфигурации калибровочных устройств для расходомера. Специалистам понятно, что варианты реализации настоящего изобретения не ограничены описанными вариантами, но могут быть применены к любому широкому разнообразию калибровочных устройств для расходомера. Соответственно, объем защиты настоящего изобретения не ограничен описанием, изложенным выше, но только пунктами приложенной формулы, и также включает эквиваленты предмета пунктов приложенной формулы.

Реферат

Представленное устройство для определения положения вытеснителя в калибровочном устройстве для расходомера, а также способ его использования и система, содержащая данное устройство, относятся к измерительной технике, а именно, к устройствам для калибровки аппаратуры для измерения расхода жидкости. Согласно одному варианту реализации калибровочное устройство для расходомера содержит проточную трубу, вытеснитель и анализатор сигналов. Вытеснитель выполнен с возможностью перемещения в проточном канале проточной трубы. Магнитная мишень расположена на вытеснителе. По меньшей мере один индуктивный преобразователь расположен на проточной трубе и выполнен с возможностью обнаружения магнитной мишени при перемещении вытеснителя в проточной трубе. Анализатор сигналов выполнен с возможностью обнаружения максимального наклона нарастающего и падающего фронтов сигнала, сгенерированного преобразователем, чувствительным к магнитной мишени, перемещающейся мимо преобразователя. Анализатор сигналов дополнительно выполнен с возможностью определения скорости перемещения вытеснителя на основании обнаруженного максимального наклона. Технический результат заключается в повышении точности калибровочного устройства благодаря более точному определению положения вытеснителя. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула