专利名称：确定在声学流量计中的到达时间周波跳跃的模式的方法和系统的制作方法
确定在声学流量计中的到达时间周波跳跃的模式的方法和
系统
背景技术：
在碳氢化合物从大地中提取出来后，流体流束(例如原油和天然气)经由管线从 一个地方传输到另一个地方。这就需要精确知道在该流束中流动的流体的数量，并且当流 体转手时或者“密闭输送”时要求特定的精确性。超声波流量计可以用来测量在管线中流 动的流体的量，并且超声波流量计在密闭输送中使用时具有足够的精确性。在超声波流量计中，超声波信号被来回地发射经过待测流体流。在确定流体流量 中被感测的参数之一是超声波信号到达传感器的时间。然而，因为在流体系统中的噪音，以 及在超声波仪表的电子系统中的固有缺陷，在一些情况下，电子设备难以始终如一地选择 探测到的声学信号的相同特征来表示到达时间。更具体地，在一些情况下，用于表示到达时 间的、探测到的超声波信号的选择特征可能通过超声波信号的一个或多个循环而偏离期望 特征。在由电子设备选择的用以表示超声波信号到达的特征与期望特征相比不同时，就说 已经发生了“周波跳跃”。由以下事实使情况进一步复杂，所述事实是指许多超声波仪表具有多个传感器 对，每个传感器对都发送和接收超声波信号。用于第一个传感器对的探测到的超声波信号 的特征会在理想特征之前偏离一个或多个周期，并且第二个传感器对的特征会在理想特 征之后偏离一个或多个周期。事实上，在具有四个传感器对以及考虑到恰好正确地识别 出理想特征、在理想特征之前的一个周期的周波跳跃和在理想特征之后的一个周期的周 波跳跃(三种可能性)的超声波仪表中，有34或者81种不同的可能发生的周波跳跃组态 (configuration)。给定可能的周波跳跃组态的数目，识别出周波跳跃组态可能是困难的， 尤其是当电子设备的处理能力有限时。
为了详细地描述本发明的示例性实施例，现在将对附图进行参考，其中图IA示出了根据至少一些实施例的流量计的横截面正视图；图IB示出了根据至少一些实施例的流量计的端部正视图；图IC示出了根据至少一些实施例的流量计的俯视图；图2示出了根据至少一些实施例的流量计的电子设备；图3示出了根据至少一些实施例的示例性的接收到的信号；图4示出了根据至少一些实施例的包括流量计算机的系统；图5示出了根据至少一些实施例的方法。符号和术语在整个下面的说明和权利要求中对涉及到的特别的系统部件使用特定的术语。作 为本领域技术人员将意识到，仪表制造企业可能用不同的名字提到一个部件。本文档不打 算区分名字不同而不是功能不同的部件。在下面的论述和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放方式使用，并因此应当解释为意思是“包括，但不限于…”。此外，术语“耦合”或“连接”意图表示间接连接或直接 连接。因此，如果第一个装置耦合到第二个装置，该连接可以是通过直接连接，或者是通过 经由其他装置和连接件的间接连接。
具体实施方式
多种实施例是在四通路或四“弦(chord)”超声波流量计的背景下展开的，且描述 是基于开发背景。然而，所描述的系统和方法可以用于任何多通路声学类型的流量计和在 任何多通路声学类型的流量计内，并因此开发背景和描述不应被解释为将范围仅限于四弦 超声波流量计。为了说明超声波流量计的各种部件及关系，图IA示出了超声波流量计101。适于 在管线的部分之间放置的卷筒零件100具有预定尺寸并限定了被测流体流经的中央通道。 图示的传感器对120和130及它们的各个壳体125和135沿卷筒零件100的长度设置。传 感器120和130是声学收发器，且更具体地是超声波收发器，这意味着它们产生且接收具有 约20kHz以上频率的声学信号。声学信号可以由在每个传感器中的压电元件产生和接收。 为了产生超声波信号，压电元件经由正弦信号电激励，且其通过振动响应。压电元件的振动 产生声学信号，该声学信号通过被测流体行进到传感器对的相应的传感器。类似地，在被声 学信号冲击时，接收的压电元件振动并产生正弦电信号，所述正弦电信号通过与仪表相关 联的电子设备探测、数字化并分析。通路110，有时被称为“弦”，以与中心线105成角度θ地存在于图示的传感器120 和130之间。“弦” 110的长度是传感器120的正面与传感器130的正面之间的距离。点140 和145限定了由传感器120和130产生的声学信号进入和离开流经卷筒零件100(即，进入 卷筒零件孔)的流体处的位置。传感器120和130的位置可以通过角度θ由在传感器120 和130之间测量的第一长度L、与在点140和145之间的轴向距离相对应的第二长度X以及 与管内径相对应的第三长度“D”来限定。在大多数情况下，距离D、X和L在仪表制造期间 被精确地确定。此外，诸如120和130的传感器通常被分别放置成距点140和145的特定 距离处而不考虑仪表尺寸(即，卷筒零件尺寸)。诸如天然气的流体，在方向150上以流速 分布152流动。速度矢量153-158说明穿过卷筒零件100的气体速度朝着卷筒零件100的 中心线105增加。最初，下游传感器120产生超声波信号，所述超声波信号入射，并因而被上游传感 器130探测到。一段时间以后，上游传感器130产生返回的超声波信号，所述超声波信号随 后入射并被下游传感器120探测到。因此，传感器120和130与超声波信号115沿弦通路 110进行“投和接”。在运行期间，该序列可以每分钟发生数千次。超声波信号115在传感器120和130之间的传播时间部分地取决于超声波信号 115是否相对于流体流动向上游或向下游行进。用于超声波信号向下游行进(S卩，与流体流 动相同的方向)的传输时间小于当向上游(即，逆着流体流动)行进时的传播时间。上游 和下游传播时间能够被用于计算沿信号通路的平均速度和在被测流体中的声音的速度。给 定承载流体的仪表的横截面的量度，仪表孔的整个区域上的平均速度可以被用来求出流经 卷筒零件100的流体的体积。超声波流量计可以具有一个或多个声学信号通路。图IB是示出了多通路超声波流量计的一端的正视图。图IB的超声波流量计包括在卷筒零件100内在变化的水平面处 的四个弦通路A、B、C和D。每个弦通路A-D对应于可交替地表现为发射器和接收器的传感 器对。还示出了控制电子设备外壳160，所述控制电子设备外壳160控制电子设备从四个弦 通路A-D获得和处理数据。在图IB的视图中隐藏有对应于弦通路A-D的四对传感器。参考图I C可以更容易地理解四对传感器的布置。四对传感器端口被安装在卷筒 零件100上。每对传感器端口与图IB的单个弦通路相对应。第一对传感器端口 125和135 包括从卷筒零件100稍微凹进的传感器120和130 (图1A)。传感器安装在与卷筒零件100 的中心线105成非垂直的角度θ处。另一对传感器端口 165和175 (只能部分看见)及相 关传感器被安装为使得其弦通路相对传感器端口 125和135的通路松散地形成“X”形状。 类似地，传感器端口 185和195被放置得平行于传感器端口 165和175，但在不同的“水平 面”处(即，在管道或仪表卷筒零件中的不同径向位置)。在图IC中不明确地示出了四对传 感器和传感器端口。将图IB和IC 一起看，传感器对被布置为使得与弦A和B相对应的上 部两对传感器形成“X”形状，且与弦C和D相对应的下部两对传感器也形成“X”形状。流 体的流速可以在每个弦A-D处确定以获得弦流速，且弦流速被结合以确定在整个管道上的 平均流速。从平均流速可以确定在卷筒零件中流动的流体数量，并因此可以确定在管线中 流动的流体量。图2示出了根据至少一些实施例的超声波流量计的控制电子设备200。控制电子 设备200可以与图IB的电子设备外壳160 —起存在，所述电子设备外壳160可以耦合到 卷筒零件。可替选地，电子设备外壳160可以被等效地安装在卷筒零件的最近处(即，在 几英尺内)。控制电子设备200包括处理器202，所述处理器202耦合到随机存取存储器 (RAM) 204、只读存储器(ROM) 206和通信端口(COM) 208。处理器202是如下的设备程序在 该设备内执行完成各种实施例的任务。ROM 206是一种非易失性存储器，所述非易失性存储 器存储操作系统程序，以及用于执行各种实施例的程序。RAM 204是用于处理器202的工 作存储器，且在运行之前一些程序和/或数据结构可以从R0M206复制到RAM 204。在可替 选的实施例中，一些程序和数据结构可以直接从ROM 206存取。通信端口 208是如下的机 构通过所述机构，该仪表与诸如流量计算机(其可以累计来自多个流量计所测得的流体 流量)和/或数据采集系统的上游装置进行通信。尽管处理器202、RAM204、R0M 206和通 信端口 208被作为单独的装置说明，但是在可替选的实施例中使用微控制器，所述微控制 器一体化地包括处理核心、RAM、ROM和通信端口。处理器202进一步耦合和控制多个装置，以便经由被测流体发送和接收声学信 号。具体地，处理器202通过控制线218和220分别耦合到传感器驱动器210、接收器212 和两个多路复用器214和216。在一些实施例中，传感器驱动器210包括振荡器电路和放 大器电路。在这些实施例中的传感器驱动器210产生初始信号，将信号放大到足够驱动传 感器的信号强度，并提供相对传感器匹配的阻抗。在其他的实施例中，传感器驱动器从处理 器202接收期望频率的交流电(AC)信号，放大信号并提供相对于传感器匹配的阻抗。接收 器212也可以采用许多形式。在一些实施例中，接收器212是模-数转换器，所述模-数转 换器接收由传感器产生的、代表接收到的声学信号的模拟波形，并将信号转换为数字形式。 在某些情况下，接收器212可以在数字化之前或数字化之后过滤和/或放大信号。然后，可 以将接收到的信号的数字化形式传到处理器202，用于检测期望特征(下面进行更多的讨论)。在另外的其他实施例中，接收器212可以具有对期望特征实施一部分或全部检测的能 力。执行程序的处理器202有选择地控制多路复用器214和216，以将每个传感器对 222的每个传感器耦合到传感器驱动器210 (以驱动传感器来产生声学信号)和耦合到接收 器212(以接收由传感器响应于声学信号产生的电信号)。在一些实施例中，在一个第二测 量周期的跨度内，处理器202引导每个传感器对发送大约30个上游的声学信号和30个下 游的声学信号。可以等效地使用用于每个传感器对的上游和下游的声学信号的更多或更少 组、以及更长或更短的测量周期。 仍然参考图2，并特别聚焦于作为所有传感器对222的代表的传感器对222A。为 了本论述的目的，传感器224是发送传感器，且传感器226是接收传感器；然而，在实际操作 中，这些作用可以交替地改变。在处理器202的控制下，传感器驱动器210通过多路复用器 214和216耦合到传感器224。由传感器驱动器210产生和/或放大的电信号传播到并激 发在传感器224中的压电元件，且接着传感器224产生声学信号。声学信号穿过在被测流 体中的传感器224和传感器226之间的距离。为了附图的便利性，图2的传感器对222k没 有对准，但是在操作中，传感器对将如图IA中所示的那样基本上是同轴的。在传感器224 和传感器226之间的声学信号的飞行时间期间，处理器202改变多路复用器214和216的 组态，以将传感器226耦合到接收器212。传感器226接收声学信号，且与接收到的声学信 号相对应的电信号传播到接收器212。处理器202通知当传感器驱动器210被命令以产生 驱动信号的时间，且处理器202分析由接收器212接收到的信号，通知存在接收到的信号的 选定特征的时间。由处理器202测量的总时间不仅包括声学信号通过具有代表性的传感器224和 226之间的流体的传播时间，而且还包括在控制电子设备200和相关线缆内的电信号的传 播延迟(例如，通过多路复用器214和216的传播延迟，以及穿过在多路复用器216和传感 器之间耦合的线缆的信号传播延迟)。为了不同实施例的目的，传播延迟或者是已知的或者 是可知的，且因而在确定实际的传播时间时加以考虑。不同实施例所关心的是选择接收到 的信号的特征以指定作为声学信号的到达时间。图3示出作为时间的函数的接收到的信号300，以便论述对接收到的信号的特定 特征的选择以指定作为到达时间。具体地，接收到的信号300包括第一运动302，随后为4 个四个负向零交叉点304、306、308和310。依照至少一些实施例，用于选择以识别声学信号 的到达时间的期望特征是第二负向零交叉点306。然而，图3的插图是理想化的。在实践 中，在被测流体中的声学噪声的存在以及传感器从电能产生声能的能力的非理想性(且反 之亦然)使识别特定的零交叉点很困难。因此，在某些情况下，处理器202会误识别作为期 望特征的零交叉点。将非期望零交叉点误识别为期望零交叉点被称为“周波跳跃”。例如， 因为噪音和/或其他困难，处理器202会将零交叉点304误识别为期望特征。为了本公开 的目的，选择在时间上早于期望特征发生的零交叉点被称为负周波跳跃。如又一实施例中 的那样，因为噪音和/或其他困难，处理器202会将零交叉点308或零交叉点310误识别为 期望特征。为了本公开的目的，选择在时间上晚于期望特征发生的零交叉点被称为正周波 跳跃。如上所述，影响计算通过超声波仪表的流体流量的一个参数是声学信号在传感器对的传感器之间的传播时间。在确定传播时间中，选定作为声能的到达时间的标志的特征 是重要的。例如，以及仍参考图3，如果发生负周波跳跃(例如，选择零交叉点304而不是 零交叉点306)，那么传播时间将通过声学信号的周期(完成一个循环的时间)比实际的传 播时间短。同样地，如果发生一个正周波跳跃(例如，选择零交叉点308)，那么传播时间将 通过声学信号的周期比实际的传播时间长。为了操作在125千赫(kHz)的传感器的示例性 设定，声学信号的一个周期是大约8微秒(μ s)。因此，一个负周波跳跃使传播时间缩短约 8 μ s，而一个正周波跳跃使传播时间延长约8 μ S。尽管差异很�。钦庵植钜於圆饬康拇� 播时间有不利影响。为了检查周波跳跃的存在，已经开发了称为Eta(n)函数的函数，所述函数将相 对不同长度的两个弦比较声音的测量速度(直接与测量的传播时间有关)并提供表示周波 跳跃的值。具体地，Eta函数采用形式
权利要求
一种系统，包括限定中央通道的仪表本体，所述仪表本体被配置成耦合到流体在其内流动的管道；至少四个传感器对，所述至少四个传感器对耦合到所述仪表本体，每个传感器对都被配置成经过所述中央通道传播声学信号；处理器，所述处理器机械地耦合到所述仪表本体，并且电耦合到所述至少四个传感器对；以及存储器，所述存储器电耦合到所述处理器，所述存储器存储由所述处理器可执行的程序；所述程序使所述处理器确定在第一测量周期中经过中央通道的声学信号的传播时间测量结果；以及所述程序还使所述处理器确定在所述第一测量周期内、经过所述至少四个传感器对的所述传播时间测量结果的到达时间周波跳跃的模式。
2.如权利要求1所述的系统，还包括所述程序使所述处理器计算多个值，每个值都表示经过所述至少四个传感器对的到达 时间周波跳跃的模式；以及所述程序使所述处理器评估所述多个值，以确定到达时间周波跳跃的模式。
3.如权利要求2所述的系统，其中，当所述程序评估所述多个值时，所述程序进一步使 所述处理器基于选自如下组中的至少一个来选择特定值，所述组由多个值中的最大值和多 个值中的最小值组成。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述程序进一步使所述处理器响应于与至少一个 传感器对相关的到达时间周波跳跃的模式，来改变对于所述至少一个传感器对的到达时间 探测参数。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述程序避免响应于到达时间周波跳跃的模式来 修正传播时间值。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述程序进一步使所述处理器响应于到达时间周 波跳跃的模式来修正所述第一测量周期的传播时间值。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述程序进一步使所述处理器响应于到达时间周 波跳跃的模式来修正第二测量周期的传播时间值。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述程序进一步使所述处理器修正所述第二测量 周期的传播时间值，所述第二测量周期紧接在所述第一测量周期之后。
9.一种系统，包括 处理器；存储器，所述存储器耦合到所述处理器，所述存储器存储由所述处理器可执行的程序；通信端口，所述通信端口耦合到所述处理器；所述程序使所述处理器接收来自流量计的测得的流体流量值，所述接收经过所述通信 端口，并且在预定时间周期上保持穿过流量计的流体流量的运载总数；以及所述程序使所述处理器从所述流量计接收在多个流量计的传感器对之间的声学信号 传播时间测量结果，并且所述程序使所述处理器确定在所述传播时间测量结果中的到达时2间周波跳跃的组态。
10.如权利要求9所述的系统，还包括所述程序响应于到达时间周波跳跃的组态来改 变用于至少一个传感器对在所述流量计中的到达时间探测参数。
11.如权利要求10所述的系统，还包括所述程序避免修正传播时间值测量结果。
12.如权利要求9所述的系统，还包括所述程序响应于到达时间周波跳跃的组态来修 正传播时间测量结果。
13.如权利要求9所述的系统，还包括所述程序修正来自在第一测量周期之后的第二 测量周期的传播时间测量结果，所述修正响应于所述第一测量周期中的到达时间周波跳跃 的组态。
14.如权利要求9所述的系统，还包括当所述程序确定了到达时间周波跳跃的组态时，所述程序计算出多个值，每个值都表 示到达时间周波跳跃的组态；以及所述程序评估所述多个值，以确定到达时间周波跳跃的组态。
15.一种方法，包括通过在仪表中流动的流体来收发声学信号，所述收发是在多个传感器对的各个对之间 进行的；测量在所述多个传感器对的各个对之间的声学信号的传播时间；计算多个误差值，每个误差值都表示在测量所述声学信号的传播时间中的周波跳跃式 样；以及至少部分地使用所述多个误差值来确定所述周波跳跃式样。
16.如权利要求15所述的方法，还包括响应于对所述周波跳跃式样的确定来改变到 达时间探测参数。
17.如权利要求16所述的方法，还包括避免修正测得的传播时间。
18.如权利要求15所述的方法，还包括响应于所述周波跳跃式样来修正所述测得的 声学信号的传播时间。
19.如权利要求15所述的方法，还包括响应于来自紧接在第二测量周期之前的第一 测量周期的传播时间的周波跳跃式样来修正来自所述第二测量周期的所述测得的声学信 号的传播时间。
20.一种存储程序的计算机可读介质，在由处理器执行时所述程序使所述处理器计算多个值，每个值都表示经过在流量计中被测流体的传播时间测量结果的到达时间 周波跳跃的模式；至少部分地基于所述多个值来确定到达时间周波跳跃的模式。
21.如权利要求20所述的计算机可读介质，其中，所述程序进一步使所述处理器响应 于到达时间周波跳跃的模式来改变用于至少一个传感器对的到达时间探测参数。
22.如权利要求20所述的计算机可读介质，其中，所述程序进一步使所述处理器响应 于到达时间周波跳跃的模式来修正传播时间值。
23.如权利要求20所述的计算机可读介质，其中，所述程序进一步使所述处理器响应 于在先前的测量周期中的传播时间值的到达时间周波跳跃的模式来修正随后的测量周期 的传播时间值。
全文摘要
确定在声学流量计中的到达时间周波跳跃的模式。示例性实施例中的至少一些是如下的方法，所述方法包括收发经由在仪表中流动的流体的声学信号(收发是在多个传感器对中的各个对之间进行的)；测量声学信号在多个传感器对中的各个对之间的传播时间；计算多个误差值(每个误差值都表示在测量声学信号的传播时间中的一种周波跳跃式样)；以及至少部分地使用所述多个误差值来确定周波跳跃式样。
文档编号G01H5/00GK101960273SQ200980106291
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月23日 优先权日2008年2月25日
发明者亨利·查尔斯·斯特劳布 申请人:丹尼尔度量和控制公司
专业数控铣床产品供应商
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