Патент на изобретение №2353907

(54) КОМПАКТНЫЙ ВИБРАЦИОННЫЙ РАСХОДОМЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА МНОГОФАЗНОГО ВЕЩЕСТВА

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для использования при давлении в потоке многофазного вещества, большем, чем 10 фунтов на квадратный дюйм. Расходомер содержит по меньшей мере один изогнутый поточный трубопровод заданной геометрии с прикрепленными к нему двумя датчиками и привод для возбуждения колебаний по меньшей мере одного трубопровода. Характеристическое отношение (L/H) одного или более поточных трубопроводов, где L – полная длина, Н – полная высота, больше, чем 2,5. Отношение полной высоты Н к внутреннему диаметру (Н/В) одного или более поточных трубопроводов меньше, чем 10. Геометрия изогнутого поточного трубопровода включает концевые углы изгиба 9 между 120 и 170 градусами. Максимальная частота привода для воды в одном или более поточных трубопроводах является низкой и составляет менее чем 250 Гц. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения потока вещества, включающего газ, растворенный в жидкости. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 7 ил.

Уровень техники

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к компактному вибрационному расходомеру, и более определенно к компактному вибрационному расходомеру для измерения параметров потока многофазного вещества.

2. Постановка задачи

Вибрационные трубопроводные датчики, например массовые расходомеры Кориолиса, обычно действуют посредством регистрации смещения колеблющегося трубопровода, содержащего протекающее вещество. Свойства, связанные с веществом в трубопроводе, например, массовый расход, плотность и тому подобные, могут быть определены обработкой измерительных сигналов, принятых от преобразователей смещения, связанных с трубопроводом. Колебательные виды вибрирующей, наполненной веществом системы обычно подвержены суммарному воздействию массы, жесткости и параметров демпфирования колебаний трубопровода и содержащегося в нем вещества.

Типичный массовый расходомер Кориолиса включает один или более трубопроводов, которые введены в трубопроводную линию или другую транспортную систему и переносят вещество, например, текучие среды, буровые растворы и тому подобное. Каждый трубопровод может рассматриваться как имеющий набор собственных колебательных видов, включающих в себя, например, простой изгиб, крутильные, радиальные и связанные виды. В типичном применении измерения массового расхода способом Кориолиса трубопровод возбуждается на одном или нескольких колебательных видах при протекании вещества по трубопроводу, и смещение трубопровода измеряется в точках, разнесенных вдоль трубопровода. Возбуждение обычно создается специальным приводом, например, электромеханическим устройством, таким как соленоидный привод, периодически возмущающий трубопровод на звуковой частоте. Массовый расход может быть определен измерением времени задержки или разности фаз между смещениями в местах расположения преобразователей. Два таких преобразователя (или тензометрических датчика) обычно используются для измерения колебательного отклика поточного трубопровода или трубопроводов и обычно расположены в положениях вверх и вниз по потоку относительно привода. Два тензометрических датчика подключены к электронной контрольно-измерительной аппаратуре с помощью кабеля. Контрольно-измерительная аппаратура принимает сигналы от двух тензометрических датчиков и обрабатывает сигналы для получения измеренного значения массового расхода.

Трудность в использовании расходомера при измерении расхода вещества возникает тогда, когда поток вещества неоднородный, например, в случае многофазного потока. В случае многофазного потока протекающее вещество включает две или более газовых фазы, жидкую фазу и твердую фазу. Например, обычный вариант измерения потока – это когда поток вещества включает газ, вовлеченный в жидкость. Воздух является обычно вовлекаемым газом. Поскольку газ является сжимаемым, свойства протекающего вещества могут измениться и поэтому вовлеченный газ может вызвать ошибочные считывания в расходомере. Вовлеченный газ может ухудшить точность измерений массового расхода и плотности и, таким образом, может косвенно воздействовать на измерение объема.

На фиг.1 показан U-образный вибрационный расходомер предшествующего уровня техники. Этот U-образный вибрационный расходомер имеет очень низкое характеристическое отношение, содержащее полную длину (L), поделенную на полную высоту (H), т.е. характеристическое отношение есть L/H. Из этой фигуры можно видеть, что характеристическое отношение предшествующего уровня техники намного меньше единицы, особенно для U-образного расходомера предшествующего уровня техники. В тех применениях, где диаметр трубопровода большой, можно видеть, что малое характеристическое отношение этого расходомера предшествующего уровня техники требует большого вертикального физического пространства для установки.

Во многих установках доступное для расходомера физическое пространство ограничено. Например, и полная длина (L), и полная высота (H) могут быть продиктованы имеющимся установочным пространством. Соответственно, имеется потребность в компактном расходомере, имеющем уменьшенную длину (L) и уменьшенную высоту (H) и высокое характеристическое отношение (L/H) (т.е., являющемся компактным). Кроме того, имеется возрастающий спрос на меньшие, более компактные расходомеры, которые могут обеспечить необходимую измерительную способность и высокий уровень точности и надежности измерения.

В предшествующем уровне техники попытки получить компактный вибрационный расходомер сводились к пропорциональному уменьшению существующих расходомеров для таких применений и/или использованию изогнутых или прямых трубопроводов. Однако это влекло за собой нежелательные усложнения при неудовлетворительной точности расходомера. Один из результатов пропорционального уменьшения существующей конструкции расходомера заключается в том, что значительно может увеличиться жесткость трубопровода. Это характерное увеличение жесткости приводит к увеличению частоты привода расходомера. Проблематично то, что эта относительно высокая приводная частота приводит к снижению рабочих параметров и/или точности в случае потока многофазных веществ. Если в протекающее вещество вовлечен газ (например, воздушные пузырьки), то резонансная частота протекающего вещества изменяется и становится ниже резонансной частоты для чистого текучего вещества. В результате приводная частота, используемая расходомером предшествующего уровня техники, может совпадать или быть близкой к резонансной частоте с протекающим веществом. Опытным путем было установлено, что точность расходомера снижается, если резонансная частота протекающего вещества многофазного потока приближается к приводной частоте расходомера. Соответственно, вовлеченный газ приводит к неспособности расходомера точно измерить параметры потока протекающего вещества и измерить не поточные параметры.

Сущность решения

Вышеупомянутые и другие проблемы будут решены, и будет получено усовершенствование данной области техники обеспечением компактного вибрационного расходомера для измерения поточных параметров протекающего многофазного вещества.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения обеспечен компактный вибрационный расходомер для измерения параметров потока протекающего многофазного вещества при давлении протекающего вещества, большем, чем приблизительно 10 фунтов на квадратный дюйм (psi). Компактный вибрационный расходомер содержит один или более поточных трубопроводов, по меньшей мере, два тензометрических датчика, прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам, и привод, выполненный для возбуждения колебаний одного или более поточных трубопроводов. Компактный вибрационный расходомер дополнительно содержит максимальную частоту привода для воды в одном или более поточных трубопроводах, меньшую, чем приблизительно 250 Гц. Компактный вибрационный расходомер дополнительно содержит характеристическое отношение (L/H) одного или более поточных трубопроводов, большее, чем приблизительно 2,5, и отношение высоты к внутреннему диаметру (H/B) одного или более трубопроводов, меньшее, чем приблизительно 10. Компактный вибрационный расходомер дополнительно содержит конструкцию изогнутого трубопровода для одного или более поточных трубопроводов, которые включают концевые углы изгиба между приблизительно 120 градусами и приблизительно 170 градусами.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения обеспечен способ изготовления компактного вибрационного расходомера для измерения параметров потока протекающего многофазного вещества при давлении потока вещества, большем, чем приблизительно 10 фунтов на квадратный дюйм (psi). Способ содержит обеспечение одного или более поточных трубопроводов, обеспечение, по меньшей мере, двух тензометрических датчиков, прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам, и обеспечение привода, выполненного для возбуждения колебаний одного или более трубопроводов. Способ дополнительно содержит обеспечение максимальной водной приводной частоты, меньшей, чем приблизительно 250 Гц, обеспечение характеристического отношения (L/H) одного или более поточных трубопроводов, большего, чем приблизительно 2,5, и обеспечение отношения высоты к внутреннему диаметру (H/B) одного или более поточных трубопроводов, меньшего, чем приблизительно 10. Способ дополнительно содержит обеспечение геометрии изогнутого трубопровода для одного или более поточных трубопроводов, которые включают концевые углы изгиба между приблизительно 120 градусами и приблизительно 170 градусами.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения обеспечен способ для изготовления компактного вибрационного расходомера для измерения параметров потока многофазного вещества при давлении протекающего вещества, большем, чем приблизительно 10 фунтов на квадратный дюйм (psi). Способ включает обеспечение одного или более поточных трубопроводов, обеспечение, по меньшей мере, двух тензометрических датчиков, прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам, и обеспечение привода, выполненного для возбуждения колебаний одного или более поточных трубопроводов. Способ дополнительно содержит обеспечение заданного перепада давления в одном или более поточных трубопроводах и обеспечение заданного номинального давления в одном или более поточных трубопроводах. Способ дополнительно содержит обеспечение характеристического отношения (L/H) одного или более поточных трубопроводов, большего, чем приблизительно 2,5, и обеспечение отношения высоты к внутреннему диаметру (H/B), меньшего, чем приблизительно 10. Способ дополнительно содержит обеспечение концевых углов изгиба от приблизительно 120 градусов до приблизительно 170 градусов в одном или более поточных трубопроводах и обеспечение максимальной частоты водяного привода, меньшей, чем приблизительно 250 Гц.

Варианты изобретения

В одном варианте компактного вибрационного расходомера максимальная водная приводная частота меньше, чем приблизительно 200 Гц.

В другом варианте компактного вибрационного расходомера максимальная водная приводная частота основана на эффективной длине L_Е одного или более поточных трубопроводов, моменте инерции (I) одного или более поточных трубопроводов, одной или более уравновешивающих масс, прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам, и конструктивной геометрии одного или более поточных трубопроводов.

Еще в одном варианте компактного вибрационного расходомера водная приводная частота основана на заданной минимальной приемлемой точности определения плотности компактного вибрационного расходомера для протекающего многофазного вещества.

Еще в одном варианте компактного вибрационного расходомера один или более поточных трубопроводов содержат один или более по существу самоотливных поточных трубопровода.

Еще в одном варианте компактного вибрационного расходомера компактный вибрационный расходомер дополнительно содержит заданный перепад давления в одном или более поточных трубопроводах.

Еще в одном варианте компактного вибрационного расходомера компактный вибрационный расходомер дополнительно содержит заданный перепад давления в одном или более поточных трубопроводах, который основан на заданной полной длине траектории потока L_Т, заданном коэффициенте трения измерителя (f), заданном внутреннем диаметре (ID) трубопровода, заданной плотности (_f) текучей среды и заданной скорости (V) потока.

Еще в одном варианте компактного вибрационного расходомера компактный вибрационный расходомер дополнительно содержит заданное номинальное давление в одном или более поточных трубопроводах.

В одном варианте способа максимальная водная приводная частота составляет менее чем приблизительно 200 Гц.

В другом варианте способа способ дополнительно содержит определение максимальной водной приводной частоты исходя из эффективной длины L_E одного или более поточных трубопроводов, момента инерции (I) одного или более поточных трубопроводов, одной или более уравновешивающих масс, прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам, и конструктивной геометрии одного или более поточных трубопроводов.

Еще в одном варианте способа способ дополнительно включает определение максимальной водной приводной частоты исходя из заданной минимальной приемлемой точности определения плотности компактного вибрационного расходомера для потока многофазного вещества.

Еще в одном варианте способа один или более поточных трубопроводов содержат один или более по существу самоотливных поточных трубопровода.

Еще в одном варианте способа способ дополнительно содержит обеспечение заданного перепада давления в одном или более поточных трубопроводах.

Еще в одном варианте способа способ дополнительно содержит обеспечение заданного перепада давления в одном или более поточных трубопроводах, исходя из заданной полной длины траектории потока L_Т, заданного коэффициента трения измерителя (f), заданного внутреннего диаметра (ID) трубопровода, заданной плотности текучей среды (_f) и заданной скорости (V) потока.

Еще в одном варианте способа способ дополнительно содержит обеспечение заданной оценки давления в одном или более поточных трубопроводах.

Описание чертежей

Одним и тем же элементам на всех фигурах соответствуют одни и те же цифровые обозначения.

На фиг.1 изображен U-образный вибрационный расходомер предшествующего уровня техники.

На фиг.2 изображен компактный вибрационный расходомер в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.3 изображены элементы компоненты компактного вибрационного расходомера в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

На фиг.4 изображен график отличия фактической частоты (т.е. частотная ошибка) в зависимости от измеренной частоты во всем диапазоне изменения доли пустоты.

На фиг.5 изображен график ошибки плотности во всем диапазоне изменения доли пустоты.

На фиг.6A-6B изображен самоотливной трубопровод компактного вибрационного расходомера.

На фиг.7 изображена блок-схема последовательности операций способа изготовления компактного вибрационного расходомера для измерения параметров потока многофазного вещества в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

На фиг.2-7 и в нижеследующем описании приведены конкретные примеры для специалистов в данной области техники, показывающие, каким образом реализовать наилучший вариант осуществления изобретения. Для демонстрации принципов изобретения некоторые стандартные объекты упрощены или опущены. Специалистам в данной области техники будут ясны варианты этих примеров, находящиеся в пределах области применения изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что описанные ниже признаки могут быть объединены различным образом для формирования множества вариантов изобретения. Таким образом, изобретение не ограничивается описанными ниже конкретными примерами, но только соответствующими пунктами формулы и их эквивалентами.

На фиг.2 показан компактный вибрационный расходомер 200 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Компактный вибрационный расходомер 200 включает патрубки 104, фланцы 105, кожух 102 и трубопроводный участок 106. Компактный вибрационный расходомер 200 включает один или более поточных трубопроводов 301 (см. фиг.3) как часть трубопроводного участка 106 в кожухе 102. В некоторых вариантах осуществления компактный вибрационный расходомер 200 может включать два поточных трубопровода 301. Один или более поточных трубопроводов 301 могут содержать изогнутые поточные трубопроводы.

Компактный вибрационный расходомер 200 в одном варианте осуществления содержит расходомер Кориолиса. В другом варианте осуществления компактный вибрационный расходомер 200 содержит вибрационный денситометр.

Компактный вибрационный расходомер 200 может быть выполнен для получения желаемой минимальной точности измерения. Компактный вибрационный расходомер 200 может быть выполнен для получения минимальной точности измерения плотности. Компактный вибрационный расходомер 200 может быть выполнен для получения минимальной точности измерения плотности для потока многофазного вещества. Компактный вибрационный расходомер 200 может измерять и поточные, и не связанные с потоком параметры протекающего вещества.

Множество факторов могут воздействовать на работу (и поэтому на точность) вибрационного расходомера. Три наиболее важных фактора, влияющие на работу, – это приводная частота, используемая для возбуждения колебаний одного или более поточных трубопроводов, давление потока вещества и геометрия поточного трубопровода. В соответствующей конструкции компактного вибрационного расходомера можно, вообще говоря, надлежащим образом учесть эти три фактора, даже в случае работы с потоком многофазного вещества.

Компактный вибрационный расходомер в соответствии с изобретением включает приводную частоту, меньшую, чем приблизительно 250 Гц при любой текучей среде, который включает воду, например, потоке цементного раствора. В некоторых вариантах осуществления приводная частота меньше, чем приблизительно 200 Гц. Приводная частота может быть основана на эффективной длине L_E одного или более поточных трубопроводов 301, моменте инерции (I) одного или более поточных трубопроводов 301 и геометрии одного или более поточных трубопроводов 301. Кроме того, приводная частота может быть дополнительно подвергнута воздействию одной или более уравновешивающих масс, которые в случае необходимости могут быть прикреплены к одному или более поточным трубопроводам 301. Эффективная длина L_E может зависеть от геометрии поточного трубопровода. Толщина стенки поточного трубопровода может зависеть от давления протекающего вещества. Момент инерции (I) может зависеть от внутреннего диаметра поточного трубопровода и толщины стенки поточного трубопровода, помимо других факторов. Кроме того, приводная частота может быть основана на заданной минимальной приемлемой точности определения плотности (см. фиг.4 и соответствующее обсуждение).

Компактный вибрационный расходомер в соответствии с изобретением включает давление потока вещества, большее, чем приблизительно 10 фунтов на квадратный дюйм (psi). В некоторых вариантах осуществления давление потока вещества составляет между приблизительно 10 psi и приблизительно 475 psi. В некоторых вариантах осуществления давление потока вещества больше, чем приблизительно 15 psi. Давление потока вещества может быть выбрано в соответствии с желаемым применением или может быть определено пользователем.

Компактный вибрационный расходомер в соответствии с изобретением включает заданную компактную геометрию. Заданная компактная геометрия может включать один или более заданных характеристических отношений (L/H), заданных отношений высоты к внутреннему диаметру (H/B) или геометрию изогнутой конструкции поточного трубопровода. Заданное характеристическое отношение (L/H) составляет больше, чем приблизительно 2,5. Заданное отношение высоты к внутреннему диаметру (H/B) меньше, чем приблизительно 10. Конструкция изогнутого поточного трубопровода может включать концевые углы изгиба от 120 градусов до приблизительно 170 градусов. Конструкция изогнутого поточного трубопровода может быть по существу самоотливной.

Компактный вибрационный расходомер 200 может дополнительно включать заданный перепад давления (P) в одном или более поточных трубопроводах 301. Заданный перепад давления (P) может быть основан на заданной полной длине траектории потока L_Т (см. фиг.3), заданном коэффициенте трения измерителя (f), заданном внутреннем диаметре трубопровода (ID), заданной плотности флюида (_f), и заданной скорости потока (V). В одном варианте осуществления заданный перепад давления (P) может быть рассчитан в соответствии с формулой:

Компактный вибрационный расходомер 200 может дополнительно включать заданную оценку давления в одном или более поточных трубопроводах 301. Заданная оценка давления может быть выбрана в соответствии с конкретным применением или может быть выбрана пользователем.

Компактный вибрационный расходомер 200 в некоторых вариантах осуществления выполнен с высоким характеристическим отношением. В одном варианте осуществления полная длина (L) измерителя по существу является расстоянием между патрубками 104 расходомера (см. фиг.2), тогда как полная высота (H) измерителя – по существу расстояние между осевой линией впускного/выпускного коллекторов и наиболее удаленной осевой линией (т.е. центром вершины изогнутого участка). Характеристическое отношение, таким образом, является приблизительной количественной оценкой в целом формы и размеров расходомера. Высокое характеристическое отношение (L/H) означает, что расходомер имеет низкую высоту по сравнению с его длиной. Поэтому компактный вибрирующий расходомер 200 в соответствии с изобретением относительно небольшой и поэтому легко приспосабливается для измерения в большинстве применений. Высокое характеристическое отношение позволяет установить компактный вибрационный расходомер 200 в небольшом пространстве. Высокое характеристическое отношение позволяет использовать компактный вибрационный расходомер 200 в большинстве применений. В одном варианте осуществления компактный вибрационный расходомер 200 может использоваться при изготовлении цементированного кожуха, включающий применение в оборудовании для перемешивания и/или для прокачки цементного раствора. В рамках описания и пунктов формулы возможны и другие применения, и другие протекающие вещества.

Отношение высоты к внутреннему диаметру (H/B) содержит отношение высоты (определенной выше) к внутреннему диаметру впускного/выпускного патрубка. Отношение высоты к внутреннему диаметру (H/B) отражает соотношение между вертикальной высотой компактного вибрационного расходомера и диаметром впускного/выпускного отверстий и, таким образом, размер поточного трубопровода. Поэтому диаметр отверстия влияет на скорость (V) потока и коэффициент (f) трения измерителя для данного давления потока вещества. В однотрубном расходомере диаметр отверстия (B) обычно совпадает с диаметром поточного трубопровода. Вместе с тем, диаметр отверстия не совпадает с внутренним диаметром поточного трубопровода.

Компактный вибрационный расходомер 200 характеризуется низкой приводной частотой для протекающего вещества, включая случай цементного раствора, например. Эта низкая приводная частота возможна даже при высоком характеристическом отношении и поэтому при компактности общей конструкции. В предшествующем уровне техники разработчик конструкции мог выбрать либо расходомер с низкой приводной частотой, либо компактную конструкцию расходомера, но не то и другое вместе.

Приводная частота – это частота, на которой возбуждаются колебания одного или более поточных трубопроводов 301 для измерения параметров потока вещества. Приводная частота обычно выбирается так, чтобы совпадать или быть ниже резонансной частоты при потоке вещества. Поэтому приводная частота может изменяться в соответствии с добавлением протекающего вещества. Кроме того, приводная частота зависит от параметров жесткости расходомера. При увеличении жесткости приводная частота также обычно увеличивается. Основная трудность получения компактного расходомера с низкой приводной частотой заключается в том, что при сокращении характеристического отношения/общего размера увеличивается и жесткость. Например, одним из параметров конструкции измерителя является полная длина измерителя (L). При том, что никакие другие изменения в конструкцию расходомера не вносятся, параметры жесткости увеличиваются при снижении общей длины (L) измерителя. Другой особенностью конструкции, влияющей на жесткость, является эффективная длина L_Е колеблющегося участка поточного трубопровода 301 (см. фиг.3). Эффективная длина L_Е меньше общей длины траектории потока L_Т для прямого или изогнутого трубопровода расходомера. Эффективная длина L_E может быть уменьшена посредством уменьшения общей длины L_Т траектории потока или добавлением кольцевых оправок, кронштейнов и т.д., которые ограничивают концы поточных трубопроводов. Кроме того, эффективная длина L_E может быть уменьшена изменениями конфигурации расходомера. Например, U-образная поточная трубка имеет значительно большую эффективную длину L_E, чем расходомер с прямым трубопроводом (см. фиг.1 и 3). Таким образом, при прямом поточном трубопроводе или относительно изогнутом поточном трубопроводе и параметры жесткости, и приводная частота расходомера значительно увеличиваются.

Расходомер в соответствии с вариантами осуществления изобретения является не просто уменьшенным расходомером предшествующего уровня техники. Расходомер в соответствии с вариантами осуществления изобретения выполнен так, чтобы приводная частота была меньше или даже намного меньше, чем резонансная частота протекающего вещества. В идеальном случае приводная частота измерителя должна заметно отличаться от резонансной частоты потока вещества. Таким образом, расходомер в соответствии с вариантами осуществления изобретения представляет собой плоскопрофильный, самоотливной, компактный вибрационный расходомер, обеспечивающий желаемую точность измерения даже при наличии изменяющегося объема вовлеченного газа.

На фиг.3 показаны элементы компактного вибрационного расходомера 200 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Компактный вибрационный расходомер 200 включает, в дополнение к элементам, рассмотренным на фиг.2, один или более поточных трубопроводов 301, кольцевые оправки 306, тензометрические датчики 308 и привод 309. Могут также быть включены другие элементы, например, тензометрические датчики, датчики температуры и/или давления, электронные устройства, уравновешивающие массы 316, если это необходимо, и т.д.

Поточные трубопроводы 301 содержат изогнутые поточные трубопроводы и включают изогнутый участок, выполненный, по меньшей мере, из двух концевых изогнутых участков 314 и центрального изогнутого участка 312. Каждый из двух концевых изогнутых участков 314 включает концевые углы изгиба между приблизительно 120 градусами и приблизительно 170 градусами. В показанном варианте осуществления концевые углы изгиба содержат изгибы приблизительно в 145 градусов. Изогнутая часть может увеличить эффективную длину L_Е, поскольку меньшие концевые углы изгиба могут придать поточным трубопроводам большую U-образность и, таким образом, увеличить эффективную длину L_Е.

Компактный вибрационный расходомер 200 может включать кольцевые оправки 306. Кольцевые оправки 306 используются для закрепления концов поточного трубопровода 301. В варианте осуществления, который включает два поточных трубопровода 301, кольцевые оправки 306 могут дополнительно скреплять поточные трубопроводы 301 друг с другом. Кольцевые оправки 306 могут определять эффективную длину L_Е расходомера 200. Поскольку эффективная длина L_Е может влиять на параметры жесткости компактного вибрационного расходомера 200, то эффективная длина L_Е изменяется для получения желаемой приводной частоты. В некоторых вариантах осуществления кольцевые оправки 306 устанавливаются насколько возможно дальше друг от друга для снижения приводной частоты компактного вибрационного расходомера 200, при поддержании желаемого режима разделение/работа. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления кольцевые оправки 306 устанавливаются для того, чтобы максимизировать эффективную длину L_Е.

Другой параметр, который может влиять на работу компактного вибрационного расходомера 200,- это внутренний диаметр (B) отверстия одного или более поточных трубопроводов 301 (см. фиг.3). Это внутренний диаметр входного и выходного отверстий компактного вибрационного расходомера 200, например, отверстий патрубков 104. Площадь отверстия в одном варианте осуществления по существу равна площади(ям) сечения поточного трубопровода(ов). Отношение высоты к внутреннему диаметру является поэтому мерой изгиба по сечению расходомера. В одном варианте осуществления изобретения отношение высоты к внутреннему диаметру (H/B) меньше, чем приблизительно 10.

Другой параметр, который может влиять на работу компактного вибрационного расходомера 200,- это добавленные уравновешивающие массы 316, прикрепленные к одному или более поточным трубопроводам 301. Добавленные уравновешивающие массы 316 влияют на общую массу поточных трубопроводов 301, но не существенно влияют на параметры жесткости. Поэтому уравновешивающие массы 316 могут влиять на приводную частоту. Увеличение массы поточных трубопроводов 301 снижает приводную частоту.

Еще один параметр, который может влиять на работу компактного вибрационного расходомер 200, – это толщина стенки поточных трубопроводов 301. Толщина стенки обычно выбирается такой, чтобы выдерживать давление потока вещества. Однако более толстые стенки трубопровода приводят к увеличению параметров жесткости поточного трубопровода 301. Поэтому в компактном вибрационном расходомере 200 в соответствии с изобретением выбирается достаточно тонкая стенка для получения более низкой приводной частоты. Это возможно в случае, когда поток вещества не создает высокого давления.

На фиг.4 показан график отличия фактической частоты (т.е. частотная ошибка) в зависимости от измеренной частоты по всему диапазону изменения пустот. График отображает измеренные значения расхода цементного раствора при давлении 15 psi. Нижняя линия содержит нанесенные частотные значения для расходомера предшествующего уровня техники, работающего с приводной частотой 470 Гц. Средняя линия содержит нанесенные частотные значения для расходомера предшествующего уровня техники, работающего с приводной частотой 340 Гц. В противоположность этому верхняя линия содержит нанесенные частотные значения для компактного вибрационного расходомера в соответствии с изобретением, причем компактный вибрационный расходомер в соответствии с изобретением работает с приводной частотой приблизительно 170 Гц. Каждый из частотных откликов соответствует расходомерам с одной и той же конструктивной геометрией поточного трубопровода, и отличие состоит только в эффективной длине L_Е и толщине стенки трубопровода. Из графика можно видеть, что приводная частота 170 Гц расходомера отклоняется от фактического отклика не более чем на 0,5 Гц для любого значения пустоты. Поэтому компактный вибрационный расходомер, работающий на частоте ниже 250 Гц, обеспечивает высокий уровень точности частотных измерений. Из этого графика можно видеть, что желаемый уровень частотной точности может быть достигнут, по меньшей мере частично, выбором соответственно низкой рабочей частоты.

На фиг.5 показан график ошибки измерения плотности по всему диапазону изменения пустот. График ошибки плотности является дополнением к графику отличия частоты, поскольку плотность приблизительно равна единице, деленной на квадрат частоты (=1/f²). Верхняя линия содержит нанесенные значения плотности для расходомера предшествующего уровня техники, работающего на приводной частоте 470 Гц. Средняя линия содержит нанесенные значения плотности для расходомера предшествующего уровня техники, работающего на приводной частоте 340 Гц. В противоположность этому нижняя линия содержит нанесенные значения плотности для компактного вибрационного расходомера в соответствии с изобретением, причем компактный вибрационный расходомер в соответствии с изобретением работает с приводной частотой 170 Гц. Из графика можно видеть, что значения плотности, полученные расходомером при частоте 170 Гц, отклоняются от фактических плотностей не более чем приблизительно на 2,1 процент для любого значения пустоты. Поэтому компактный вибрационный расходомер, работающий на частоте ниже 250 Гц, обеспечивает высокий уровень точности измерений плотности.

На фиг.6A-6B показан самоотливной трубопровод компактного вибрационного расходомера 200. На фиг.6A поточный трубопровод(ды) 301 ориентированы вертикально. Поскольку поточный трубопровод(ды) 301 характеризуются изогнутой конфигурацией, включающей концевые углы изгиба, большие 120 градусов, то любое протекающее вещество в поточном трубопроводе(ах) 301 будет вытекать в силу гравитации (см. стрелку). Аналогично на фиг.6B, даже когда поточный трубопровод(ды) 301 установлен горизонтально, протекающее вещество будет вытекать из поточного трубопровода(ов) 301 (см. две стрелки). Этот самоотливной трубопровод компактного вибрационного расходомера 200 представляет собой большое усовершенствование U-образных расходомеров, особенно для случаев, когда поток вещества (например, поток цементного раствора) может быстро нарастать на внутренней поверхности поточного трубопровода(ов) 301, если он не самоотливной.

На фиг.7 показана блок-схема 700 последовательности операций в способе изготовления компактного вибрирующего расходомера для измерения параметров потока многофазного вещества в соответствии с вариантом осуществления изобретения. На этапе 701 обеспечивается перепад давления в компактном вибрационном расходомере, как указано выше. Перепад давления может быть выбран для желаемого применения или может быть определен конечным пользователем.

В одном варианте осуществления перепад давления может быть определен с использованием нескольких факторов измерителя. Например, перепад давления (P) может быть рассчитан в соответствии с уравнением (1). При данном значении плотности текучей среды и приемлемом значении перепада давления (hP) из уравнения может быть определен внутренний диаметр (ID) одного или более поточных трубопроводов и полная длина траектории потока L_Т.

На этапе 702 обеспечивается заданная компактная геометрия, как указано выше.

На этапе 703 обеспечивается заданная оценка давления в компактном вибрационном расходомере. Заданная оценка давления может определяться приемлемым верхним пределом давления для компактного вибрационного расходомера. Кроме того, заданная оценка давления может влиять на толщину стенки поточного трубопровода(ов).

На этапе 704 обеспечиваются заданные концевые углы изгиба в компактном вибрационном расходомере, как указано выше. Концевые углы изгиба могут изменяться в соответствии с геометрией поточного трубопровода и в соответствии с желаемой эффективной длиной L_Е поточного трубопровода. Концевые углы изгиба в компактном вибрационном расходомере в соответствии с изобретением изменяются от приблизительно 120 градусов до приблизительно 170 градусов. Концевые углы (изгиба образуют изогнутую форму поточного трубопровода(ов).

На этапе 705 обеспечивается приводная частота в компактном вибрационном расходомере. Приводная частота ниже, чем приблизительно 250 Гц. В некоторых вариантах осуществления приводная частота ниже, чем приблизительно 200 Гц. Приводная частота может быть определена как функция других параметров расходомера, как указано выше.

Компактный вибрационный расходомер в соответствии с изобретением может использоваться в соответствии с любым из вариантов осуществления, предоставляя ряд преимуществ, если это желательно. Изобретение обеспечивает компактный вибрационный расходомер, который характеризуется плоским профилем и высоким характеристическим отношением. Изобретение обеспечивает компактный вибрационный расходомер, который выгодно отличается низкой максимальной водной приводной частотой. Изобретение обеспечивает компактный вибрационный расходомер, который выгодно отличается низкой максимальной приводной частотой, которая намного ниже приводной частоты расходомера предшествующего уровня техники с тем же самым общим размером и профилем.

Формула изобретения

1. Компактный вибрационный расходомер (200) для измерения параметров потока многофазного вещества при давлении потока вещества большем, чем приблизительно 10 фунтов на квадратный дюйм (psi), содержащий один или более поточных трубопроводов (301), по меньшей мере, два тензометрических датчика (308), прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам (301), и привод (309), выполненный для возбуждения колебаний одного или более поточных трубопроводов (301), отличающийся тем, что максимальная частота привода для воды в одном или более поточных трубопроводах (301) является меньше чем приблизительно 250 Гц, характеристическое отношение (L/H) одного или более поточных трубопроводов (301), где L – полная длина трубопровода, Н – высота трубопровода, является больше чем приблизительно 2,5, отношение высоты к внутреннему диаметру (Н/В) одного или более поточных трубопроводов (301) является меньше чем приблизительно 10, и геометрия изогнутого поточного трубопровода в одном или более поточных трубопроводах (301) включает концевые углы изгиба между приблизительно 120° и приблизительно 170°.

2. Компактный вибрационный расходомер (200) по п.1, в котором максимальная частота привода для воды составляет менее чем приблизительно 200 Гц.

3. Компактный вибрационный расходомер (200) по п.1, в котором максимальная частота привода для воды обоснована на эффективной длине L_E одного или более поточных трубопроводов (301), моменте инерции (I) одного или более поточных трубопроводов (301), одной или более уравновешивающих массах, прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам (301), и конструктивной геометрии одного или более поточных трубопроводов (301).

4. Компактный вибрационный расходомер (200) по п.1, в котором максимальная частота привода для воды основана на заданной минимальной приемлемой точности плотности компактного вибрационного расходомера (200) для потока многофазного вещества.

5. Компактный вибрационный расходомер (200) по п.1, содержащий один или более поточных трубопроводов (301), содержащих один или более, по существу, самоотливных поточных трубопроводов.

6. Компактный вибрационный расходомер (200) по п.1, дополнительно содержащий заданный перепад давления в одном или более поточных трубопроводах(301).

7. Компактный вибрационный расходомер (200) по п.1, дополнительно содержащий заданный перепад давления в одном или более поточных трубопроводах (301), который основан на заданной полной длине прохода потока L_T, заданном коэффициенте трения (f) измерителя, заданном внутреннем диаметре (ID) трубопровода, заданной плотности текучей среды (_t), и заданной скорости (V) потока.

8. Компактный вибрационный расходомер (200) по п.1, дополнительно содержащий заданное номинальное давление в одном или более поточных трубопроводах (301).

9. Способ изготовления компактного вибрационного расходомера для измерения параметров потока многофазного вещества при давлении протекающего вещества большем, чем приблизительно 10 фунтов на квадратный дюйм (psi), содержащий обеспечение одного или более поточных трубопроводов, обеспечение, по меньшей мере, двух тензометрических датчиков, прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам, и обеспечение привода, выполненного для возбуждения колебаний одного или более поточных трубопроводов, отличающийся тем, что
обеспечивают максимальную частоту привода для воды меньше чем приблизительно 250 Гц,
обеспечивают характеристическое отношение (L/H) одного или более поточных трубопроводов, где L – полная длина трубопровода, Н – высота трубопровода, большее чем приблизительно 2,5,
обеспечивают отношение высоты к внутреннему диаметру (Н/В) одного или более поточных трубопроводов меньше чем приблизительно 10, и
обеспечивают геометрию изогнутого поточного трубопровода в одном или более поточных трубопроводах, включающую концевые углы изгиба , между приблизительно 120° и приблизительно 170°.

10. Способ по п.9, в котором максимальная частота привода для воды меньше чем приблизительно 200 Гц.

11. Способ по п.9, дополнительно содержащий определение максимальной частоты привода для воды на основании эффективной длины L_E одного или более поточных трубопроводов, момента инерции (I) одного или более поточных трубопроводов, одной или более уравновешивающих масс, прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам, и конструктивной геометрии одного или более поточных трубопроводов.

12. Способ по п.9, дополнительно содержащий определение максимальной частоты привода для воды на основании заданной минимальной приемлемой точности определения плотности компактного вибрационного расходомера для потока многофазного вещества.

13. Способ по п.9, который обеспечивают с одним или более поточными трубопроводами, содержащими один или более, по существу, самоотливных поточных трубопроводов.

14. Способ по п.9, дополнительно содержащий обеспечение заданного перепада давления в одном или более поточных трубопроводах.

15. Способ по п.9, дополнительно содержащий обеспечение заданного перепада давления в одном или более поточных трубопроводах на основании заданной полной длины траектории потока L_T, заданного коэффициента (f) трения измерителя, заданного внутреннего диаметра (ID) трубопровода, заданной плотности текучей среды (_t), и заданной скорости потока (V).

16. Способ по п.9, дополнительно содержащий обеспечение заданного номинального давления в одном или более поточных трубопроводах.

17. Способ изготовления компактного вибрационного расходомера для измерения параметров потока многофазного вещества при давлении протекающего вещества большем, чем приблизительно 10 фунтов на квадратный дюйм (psi), содержащий обеспечение одного или более поточных трубопроводов, обеспечение по меньшей мере, двух тензометрических датчиков, прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам, обеспечение привода, выполненного для возбуждения колебаний одного или более поточных трубопроводов, отличающийся тем, что:
обеспечивают заданный перепад давления в одном или более поточных трубопроводах,
обеспечивают заданное номинальное давление в одном или более поточных трубопроводах,
обеспечивают характеристическое отношение (L/H) одного или более поточных трубопроводов, где L – полная длина трубопровода, Н – высота трубопровода; большее чем приблизительно 2,5,
обеспечивают отношение высоты к внутреннему диаметру (Н/В) одного или более поточных трубопроводов меньшее чем приблизительно 10,
обеспечивают концевые углы изгиба между приблизительно 120° и приблизительно 170° в одном или более поточных трубопроводах, и
обеспечивают максимальную частоту привода для воды меньшую чем приблизительно 250 Гц.

18. Способ по п.17, в котором максимальная частота привода для воды меньше чем приблизительно 200 Гц.

19. Способ по п.17, дополнительно содержащий определение максимальной частоты привода для воды на основании эффективной длины L_Е одного или более поточных трубопроводов, момента инерции (I) одного или более поточных трубопроводов, одной или более уравновешивающих масс, прикрепленных к одному или более поточным трубопроводам, и конструктивной геометрии одного или более поточных трубопроводов.

20. Способ по п.17, дополнительно содержащий определение максимальной частоты привода для воды на основании заданной минимальной приемлемой точности определения плотности компактного вибрационного расходомера для потока многофазного вещества.

21. Способ по п.17, в котором обеспечивают один или более поточных трубопроводов, содержащих один или более, по существу, самоотливных поточных трубопроводов.

22. Способ по п.17, в котором обеспечивают заданный перепад давления на основании заданной полной длины траектории потока L_T, заданного коэффициента (f) трения измерителя, заданного внутреннего диаметра (ID) трубопровода, заданной плотности текучей среды (_t), и заданной скорости потока (V).

РИСУНКИ