CN101836090A - 三重冗余涡流流量计系统 - Google Patents

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CN101836090A CN200880112725A CN200880112725A CN101836090A CN 101836090 A CN101836090 A CN 101836090A CN 200880112725 A CN200880112725 A CN 200880112725A CN 200880112725 A CN200880112725 A CN 200880112725A CN 101836090 A CN101836090 A CN 101836090A
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Abstract

本发明涉及一种系统。该系统包括第一喷射器，该第一喷射器至少部分地设置在流体管道中并且产生涡流，响应于由第一喷射器产生的涡流的第一流体传感器系统以及响应于由第一喷射器产生的涡流的第二流体传感器系统。该系统还包括第二喷射器，所述第二喷射器至少部分地设置在流体管道中并且在流体管道中产生涡流，并且以一距离与第一喷射器分离开。第三流体传感器系统响应于由第二喷射器产生的涡流。

Description

三重冗余涡流流量计系统
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2008年8月20日的美国申请序列号No.12/195,138的优先权，美国申请No.12/195,138要求提交于2007年8月22日的美国临时专利申请序列号No.60/957,400的优先权，这两个申请的完整公开内容明确地结合于此。
技术领域
本申请涉及测量流体的流率，更具体地涉及一种用于测量流体的流率的流量计系统。
背景技术
流量计可测量管道中或其他通道中流体的流率。流体可以是例如气体或液体，可以是可压缩的或者不可压缩的。一种类型的流量计是涡流式流量计，其以涡流分离原理为基础。涡流分离指一个自然过程，在该过程中，通过非流线体的流体导致沿着非流线体的表面形成缓慢移动流体的边界层。低压区域产生在非流线体的后面，导致边界层卷起，这会随即在非流线体的相对侧产生涡流。该涡流引发压力变化，该压力变化量可以通过压力传感器传感检测到。该涡流分离压力变化量具有与流率相关的频率。因此，通过测量压力变化的频率，可以确定流率。
发明内容
根据一个总的方面，一种系统包括第一喷射器，所述第一喷射器至少部分地设置在流体管道中并且根据所述流体管道中的流体流产生涡流，以及第一流体传感器系统，所述第一流体传感器系统响应于由所述第一喷射器产生的涡流，第二流体传感器系统，所述第二流体传感器系统响应于由第一喷射器产生的涡流。该系统还包括第二喷射器，所述第二喷射器至少部分地设置在所述流体管道中并且根据所述流体管道中的流体流产生涡流，并且以一距离与第一喷射器分离开，以及第三流体传感器系统。所述第三流体传感器系统响应于由所述第二喷射器产生的涡流。
在另一方面，所述第一和第二传感器系统平行布置。
在另一方面，所述距离是所述流体管道的直径的倍数。
在其他方面，所述流体管道包括多个组装的管道区段，其中，所述第一和第二流体传感器系统和所述第一喷射器与第一管道区段相关联，第三流体传感器系统和第二喷射器与第二管道区段相关联。
在其他方面，控制器根据流量值监视所述系统的性能，所述流量值根据所述第一、第二和第三流体传感器系统的相应信号而生成。所述控制器根据所述第一、第二和第三流体传感器系统的相应信号生成报告和服务请求其中的至少一个。
在其他方面，所述第一、第二和第三流体传感器系统分别相应于第一、第二和第三流量范围进行优化，其中，当流量处于相应的第一、第二或第三流量范围时，所述第一、第二和第三流体传感器系统其中的一个具有优先级。
根据另一总体方面，一种监视流体管道中的流体流量的系统包括第一喷射器，所述第一喷射器至少部分地设置在流体管道中，以及第一流体传感器系统，所述第一流体传感器系统响应于在所述流体管道中的流体流中由所述第一喷射器产生的涡流，第二流体传感器系统，所述第二流体传感器系统布置成相对于所述第一流体传感器系统平行，并且响应于由第一喷射器产生的涡流。根据这一整体方面，该系统还包括第二喷射器，所述第二喷射器至少部分地设置在所述流体管道中并且以一距离与第一喷射器分离开，所述距离是所述流体管道的直径的倍数，以及第三流体传感器系统，所述第三流体传感器系统在所述流体管道中的流体流中响应于由所述第二喷射器产生的涡流。
一个或多个实施方式的详细内容阐述在附图中以及随后的说明书中。其他特征将从说明书和附图中以及权利要求中变得清楚明了。
附图说明
图1是涡流流量计系统的实施方式的示意性图示。
图2是涡流流量计系统的另一实施方式的示意性图示。
图3是具有预滤波器和振幅检测器的涡流流量计的实施方式的方框图。
具体实施方式
参照图1，示意性地示出涡流流量计系统10。该涡流流量计系统10分别包括第一、第二和第三涡流传感器系统12、14、16，这些系统连接至管道或流路18。该管道18包括内直径(d)。流体沿着由箭头所示的方向(即，从左到右，如图1所示)流过管道18。虽然第三涡流传感器系统16示出为处于第一和第二涡流传感器系统12、14的下游，但是其他结构也处于本公开内容的范围内。例如，第三涡流传感器系统16可位于第一和第二涡流传感器系统12、14的上游。在这种示例性的结构中，流体将从右向左流动，如图1所示。
第一和第二涡流传感器系统12、14平行布置并且与第一喷射器20相关联。第三涡流传感器系统与第二喷射器22相关联。示例性喷射器公开在美国专利No.4,220,046和6,615,673中，其内容通过引用的方式结合于此。第一和第二喷射器20、22延伸进入管道18并且作为产生涡流的阻碍元件，由距离(X)分离开。随着流体通过第一和第二喷射器20、22，扰动或涡流产生在流体流中，这在每个喷射器20、22后面拖尾。产生涡流的率与流体的流率(flow rate)成比例。第一和第二涡流传感器系统12、14的每个产生与由第一喷射器20产生的涡流相对应的电压脉冲。这些电压脉冲的相应频率成比例于流体流率。类似地，第三涡流传感器系统16产生与由第二喷射器22产生的涡流相对应的电压脉冲。这些电压脉冲的频率成比例于流体的流率。测量流体流率的这一原则通常称为涡旋分离原理。
第一和第二涡流传感器系统12、14一般地包括第一喷射器20，每个分别包括相应的第一和第二压力传感器24、26，分别包括第一和第二信号处理模块28、30。第三涡流传感器系统16包括第二喷射器22、第三压力传感器32和第三信号处理模块34。第一、第二和第三涡流传感器系统12、14、16的每个包括相关的平均K因数，对于给定传感器系统来说，该因数一般是恒定的。该K因数一般由电压脉冲数/流体流的体积限定。平均K因数是在流体校准期间的给定的流率范围上的高和低K因数的算数平均值。此外，流率基于电压脉冲频率(即，涡流频率)和K因数确定。因为涡流流量计主要是相应于可压缩流体的体积装置，所以添加压力和温度测量可用于确定流体密度并且得到质量流测量值。
距离X限定在第一和第二喷射器20、22之间。如图1所示，距离X测量于第一和第二喷射器20、22的中心之间。但是，在另一实施方式中，距离X可限定在第一喷射器20的下游侧与第二喷射器22的上游侧之间。在另一实施方式中，距离X可限定在第一喷射器20的上游侧与第二喷射器22的下游侧之间。在其他实施方式中，距离X可限定在第一和第二喷射器20、22的相应上游侧之间，或者第一和第二喷射器20、22的相应下游侧之间。
距离X可确定为管道的内直径(d)的倍数。在一项实施方式中，距离X等于或大于内直径(d)(例如，1×d，或1d)。在另一实施方式中，距离X等于或小于内直径(d)的十倍(例如，10×d，或10d)。在另一实施方式中，距离X等于或大于内直径(d)的五倍(例如，5×d，或5d)并且小于或等于内直径(d)的七倍(例如，7×d，或7d)。在这种情况下，距离X处于5d与7d限定的范围内。最小距离XMIN确定为防止下游涡流传感器系统16中出现性能恶化。
涡流流量计系统10也可包括控制器38。该控制器38从相应的第一、第二和第三涡流传感器系统12、14、16接收输出信号。在一项实施方式中，输出信号包括频率推算值，对应于由相应的涡流传感器系统12、14、16检测到的流体流量。在这种情况下，控制器38在内部将频率推算值转化为流体流率信号以进行比较。在另一实施方式中，输出信号包括流体流率信号。在这种情况下，涡流传感器系统12、14、16将它们相应的频率推算值转换为流体流率信号，并且控制器38不需要执行这一转换。
参照图2，示意性地示出涡流流量计系统10’的另一实施方式。在这一实施方式中，管道18包括多个限定连续流路的管道区段。更具体地说，第一和第二带凸缘的流体传感器管道40、42被包括进来并且限定相应的流体路径区段。带凸缘的中间管道44组装在第一和第二带凸缘的流体传感器管道40、42之间，并且限定一流体路径区段。带凸缘的端部管道46、48位于已组装的第一和第二带凸缘的流体传感器管道40、42和中间管道44的端部处。带凸缘的端部管道46、48限定相应的流体路径区段。第一和第二涡流传感器系统12、14组装有第一流体传感器管道40，使得第一喷射器20延伸入流体路径区段。类似地，第三涡流传感器系统16组装有第二流体传感器管道42，使得喷射器22延伸入流体路径区段。
带凸缘的中间管道44包括管道长度Y。距离Z1和Z2分别限定在带凸缘的中间管道44的端部与第一和第二喷射器20、22之间。如图2所示，距离Z1和Z2限定在带凸缘的中间管道44的相应端部与第一和第二喷射器20、22的中心之间。但是，在另一实施方式中，距离Z1、Z2可限定在带凸缘的中间管道44的相应端部与第一和第二喷射器20、22的上游侧或下游侧之间。在图2的实施方式的情况下，距离X可限定为距离Y、Z1和Z2的和(即，X＝Y+Z1+Z2)。
如上所述，距离X可限定为管道的内直径(d)的倍数。在一项实施方式中，距离X等于或大于内直径(d)(例如，1×d，或1d)。在另一实施方式中，距离X等于或小于内直径(d)的十倍(例如，10×d，或10d)。在再一实施方式中，距离X等于或大于内直径(d)的五倍(例如，5×d，或5d)并且小于或等于内直径(d)的七倍(例如，7×d，或7d)。在这种情况下，距离X处于5d与7d之间限定的范围内。例如，管道长度Y可以等于5d，Z1和Z2的和等于或小于2d。
参照图3，示出包括在涡流传感器系统的信号处理模块中的示例性子系统。该示例性子模块公开在共同受让的美国专利No.6,832,179，其公开内容通过引用的方式明确地结合于此。初始地，压力传感器24、26、32响应于流体的压力，该压力可随着涡流的产生而波动，并且据此生成一电压脉冲信号。预放大器子模块120放大该电压脉冲信号并且将已放大的电压脉冲信号输出至预滤波器子模块130和振幅检测器子模块140。如果启用预滤波器子模块130，那么该子模块过滤输入信号从而移除噪音。如果没有启用预滤波器子模块130，那么预滤波器子模块130使信号通过而不进行滤波。幅值检测器子模块140检测已放大的电压脉冲信号的幅值并且如果所检测到的幅值低于一阈值，那么启用该预滤波器子模块130。因此，该幅值检测器子模块140的输出将ON/OFF信号提供至预滤波器子模块130。该预滤波器子模块130的输出被提供至带通滤波器(BPF)子模块150，其输出被提供至模拟-转-数字(A/D)转换器(ADC)子模块160。该BPF子模块150过滤该输入信号从而移除噪音，ADC子模块将其输入信号从模拟转换为数字。ADC子模块160的输出提供至ZCA子模块170，该子模块170执行过零算法(ZCA)并且推算涡流信号的频率。ZCA子模块170提供一个或多个滤波器设置给BPF子模块150。该ZCA子模块170的输出提供至校正(smoothing)滤波器子模块180。该校正滤波器子模块180生成已校正的频率推算值并且可连接至流量推算器子模块(未示出)，该子模块根据已校正的频率推算值的频率推算流体的流率。
已组装的涡流流量计系统10、10’被初始校正。该校正过程包括生成通过管道18的已知流率或者已知流率的范围并且记录来自于第一、第二和第三涡流流量传感器系统12、14、16的输出信号。在一项实施方式中，输出信号包括分别测量的流率。因为已知的流率被采用，所以单独涡流流量传感器系统12、14、16的流率测量值能够与已知流率相比较。如果测得流率不等于已知流率，那么测得流率与已知流率之间的差可提供为相应于特定涡流传感器系统12、14、16的流率偏差。在涡流流量计系统10、10’的随后使用期间，流率被测量并且偏差被施加从而从特定涡流传感器系统提供最终的测得流率。因此，第一、第二和第三涡流传感器系统12、14、16的每个可包括其本身的独特流率偏差。
在另一实施方式中，输出信号包括相应的K因数值，这些值基于分别测量的流率而再次计算(back-calculated)。因为采用已知流率，所以可以相应于每个涡流传感器系统12、14、16而再次计算目标K因数值。单个涡流传感器系统12、14、16的测得K因数值能够与相应目标K因数值相比较。如果测得K因数不等于相应的目标K因数值，那么测得K因数值和相应目标K因数值之间的差可提供为相应于特定涡流传感器系统12、14、16的K因数偏差。在涡流流量计系统10、10’的随后使用期间，测得流率由相应的信号处理模块进行计算，这些模块用于K因数补偿。因此，第一、第二和第三涡流传感器系统12、14、16的每个可包括其自身的独特的K因数偏差。
控制器38根据分别由涡流传感器系统12、14、16产生的测得流体流率值FR1、FR2、FR3来监视涡流流量计系统10、10’的性能。控制器38能够根据涡流传感器系统12、14、16的输出的一个或多个产生控制信号。该控制器38可根据输出信号生成报告或服务请求。此外，控制器38可处理输出信号从而识别出现错误的涡流传感器系统和/或识别单独涡流传感器系统中的错误分量。
在一些实施方式中，如果流体流率值FR1、FR2、FR3相同或者处于一阈值百分比差内，那么涡流流量计系统10、10’被认为是正常操作。在另一实施方式中，根据由涡流传感器系统12、14、16产生的流体流率值FR1、FR2、FR3确定平均流体流率值FRM。流体流率值FR1、FR2、FR3的每个与平均流体流率值FRM进行比较。如果流体流率值FR1、FR2、FR3与平均流体流率值FRM之间的差ΔFR小于阈值差ΔFRTHR，那么特定的涡流传感器系统可以被认为是操作正常。如果流体流率值FR1、FR2、FR3与平均流体流率值FRM之间的差ΔFR大于阈值差ΔFRTHR，那么特定的涡流传感器系统可以被认为是操作异常。如果一个或多个涡流传感器系统操作异常，那么报告和/或服务请求能够自动地生成。此外，异常操作涡流传感器系统中的一个或多个错误分量能够被自动地识别从而精确定位错误源并且更快速地改正错误。
在其他实施方式中，第一、第二和第三涡流传感器系统12、14、16的每个能够相应于各个流率范围而进行优化。例如，对于第一流率范围，第一涡流传感器系统12的输出能够具有最高的优先级。对于第二流率范围，第二涡流传感器系统14的输出能够具有最高的优先级，对于第三流率范围，第三涡流传感器系统16的输出能够具有最高优先级。如果测得流体流量值FR1、FR2、FR3存在不一致，那么将具有相应于特定流率范围的最高优先级的测得流率值用于控制目的。
在其他实施方式中，在第一、第二和第三涡流传感器系统12、14、16的输出之间存在不一致的情况下，采用表决策略。例如，涡流传感器系统的两个输出可以彼此关联，而第三输出不与其他的输出关联。在这种情况下，使用两个相关输出的流率值。
已经描述了许多的实施方式。但是，应当理解的是，可以进行各种改进。因此，其他实施方式都处于随后的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
第一喷射器，所述第一喷射器至少部分地设置在流体管道中并且根据所述流体管道中的流体流产生涡流；
第一流体传感器系统，所述第一流体传感器系统响应于由所述第一喷射器产生的涡流；
第二流体传感器系统，所述第二流体传感器系统响应于由所述第一喷射器产生的涡流；
第二喷射器，所述第二喷射器至少部分地设置在所述流体管道中并且根据所述流体管道中的流体流产生涡流，并且以一距离与所述第一喷射器分离开；以及
第三流体传感器系统，所述第三流体传感器系统响应于由所述第二喷射器产生的涡流。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一和第二传感器系统平行布置。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述距离是所述流体管道的直径的倍数。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流体管道包括多个组装的管道区段，其中，所述第一和第二流体传感器系统和所述第一喷射器与第一管道区段相关联，第三流体传感器系统和第二喷射器与第二管道区段相关联。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，所述控制器根据流率值监视所述系统的性能，所述流量值根据所述第一、第二和第三流体传感器系统的相应信号而生成。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器根据所述第一、第二和第三流体传感器系统的相应信号生成报告和服务请求其中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一、第二和第三流体传感器系统分别相应于第一、第二和第三流率范围进行优化，其中，当流率处于相应的第一、第二或第三流率范围时，所述第一、第二和第三流体传感器系统其中的一个具有优先级。
8.一种方法，包括
使用至少部分地设置在所述流体管道中的第一喷射器在流体管道中的流体流中产生涡流；
根据由所述第一喷射器产生的涡流在第一流体传感器系统中引发响应；
根据由所述第一喷射器产生的涡流在第二流体传感器系统中引发响应；
使用至少部分地设置在所述流体管道中的第二喷射器在流体管道中的流体流中产生涡流，所述第二喷射器以一距离与所述第一喷射器分离开；并且
根据由所述第二喷射器产生的涡流而在第三流体传感器系统中引发响应。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括，将所述第一和第二传感器系统平行布置。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述距离是所述流体管道的直径的倍数。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括由所述多个管道区段组装所述流体管道，其中，所述第一和第二流体传感器系统和所述第一喷射器与第一管道区段相关联，第三流体传感器系统和第二喷射器与第二管道区段相关联。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括根据流率值监视所述第一、第二和第三流体传感器系统的性能，所述流率值根据所述第一、第二和第三流体传感器系统的相应信号而生成。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括根据所述第一、第二和第三流体传感器系统的相应信号生成报告和服务请求其中的至少一个。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括分别相应于第一、第二和第三流率范围优化所述第一、第二和第三流体传感器系统，其中，当流量处于相应的第一、第二或第三流率范围内时，所述第一、第二和第三流体传感器系统其中的一个具有优先级。
15.一种监视流体管道中的流体流率的系统，包括：
第一喷射器，所述第一喷射器至少部分地设置在流体管道中；
第一流体传感器系统，所述第一流体传感器系统响应于在所述流体管道中的流体流中由所述第一喷射器产生的涡流；
第二流体传感器系统，所述第二流体传感器系统相对于所述第一流体传感器系统平行布置，并且响应于由第一喷射器产生的涡流；
第二喷射器，所述第二喷射器至少部分地设置在所述流体管道中并且以一距离与第一喷射器分离开，所述距离是所述流体管道的直径的倍数；以及
第三流体传感器系统，所述第三流体传感器系统响应于在所述流体管道中的流体流中由所述第二喷射器产生的涡流。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述流体管道包括多个组装的管道区段，其中，所述第一和第二流体传感器系统和所述第一喷射器与第一管道区段相关联，第三流体传感器系统和第二喷射器与第二管道区段相关联。
17.根据权利要求15所述的系统，还包括控制器，所述控制器根据流率值监视所述系统的性能，所述流率值根据所述第一、第二和第三流体传感器系统的相应信号而生成。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述控制器根据所述第一、第二和第三流体传感器系统的相应信号生成报告和服务请求其中的至少一个。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述控制器比较所述流率值并且根据相关联的流率值采取操作。
20.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一、第二和第三流体传感器系统分别相应于第一、第二和第三流率范围进行优化，其中，当流率处于相应的第一、第二或第三流率范围时，所述第一、第二和第三流体传感器系统其中的一个具有优先级。
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