CN103797341A - 用于测量流量速率的小体积校验仪装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于精确地测量通过例如流管的圆筒形部件的流体的流量速率的小体积校验仪装置和方法。精确圆孔圆筒和活塞可被构造成带有阀装置，从而在所述活塞从一个位置向相对位置行进时允许流体流过环形通道。加速度计传感器可被安装到活塞以通过将加速度数据对时间数据积分来连续地检测在管内行进的活塞的速度。体积流量速率可通过将该速度与流管的面积相乘来自动计算。

Description

用于测量流量速率的小体积校验仪装置和方法

技术领域

 实施例总体涉及流量计校验系统和方法。实施例还涉及小体积校验仪及其方法。实施例还涉及加速度计传感器。实施例还涉及对流体的流量速率的测量。

背景技术

 仪表校验仪和流量校验部件允许已知的可追踪体积来模拟实际的操作条件并且测试和验证流量计的性能。SVP（小体积校验仪）或者活塞校验仪可被采用以准确地（例如，0.02％的容差）测量流体流动过程中的流量并且标定在密闭输送（例如，管线等）中采用的流量测量设备。小体积校验仪通常包括精磨圆筒，其带有定位在关键位置以检测活塞冲程的开始和结束的传感器。冲程的体积此后可被用来验证在测试下由该设备测量的体积。

 用于在固定体积测量的方面标定液体流量传感器的传统小体积校验仪通常利用定位在该小体积校验仪的静止框架上的一对固定位置光学狭缝检测器和安装到经过这些光学狭缝传感器的活塞杆上的标记。这种小体积校验仪能够基于校验仪杆标记经过这两个光学传感器所需要的时间量（例如，时间差）来测量活塞速度。不幸的是，这种光学传感器难以对准并且需要非常精确的放置，这给校验仪制造和安装增加了成本和复杂性。而且，如果这种传感器没有对准，那么移动的杆可能撞击并损坏传感器。另外，这种光学传感器通常被安装到金属棒上并且光学传感器之间的距离取决于该棒的温度。因此，温度传感器、发送器、和补偿算法必须被添加到校验仪装置，这增加了另一程度的复杂性和成本。再者，这种光学传感器测量平均速度，而不是实际考虑加速度曲线，这可能导致不准确的数据采集和较差的性能。

 基于上面所述，相信存在对用于测量流量速率的改善的小体积校验仪装置和方法的需要。还存在对改善的加速度计传感器的需要，该传感器准确地测量在管内行进的活塞的速度，这将在本文中被更具体地描述。

发明内容

 提供前面的发明内容是为了促进对所公开实施例特有的一些创新特征的理解，并不是为了作为完整描述。可通过将全部说明书、权利要求、附图和摘要作为一个整体来获得对本文描述的实施例的各个方面的充分理解。

 因此，为改善的仪表校验系统和方法做准备是所公开的实施例的一个方面。

 为用于测量流量速率的改善的小体积校验仪装置和方法做准备是所公开的实施例的另一方面。

 为用于准确地测量在圆柱形物体，例如管，内行进的活塞的速度的改善的加速度计传感器做准备是所公开的实施例的又一方面。

 现在将如本文所描述地实现前述的方面和其它的目标和优点。本文公开了用于精确地测量通过管的流体的流量速率的小体积校验仪装置和方法。该装置包括精确圆孔圆筒和活塞，活塞被构造成带有阀装置以在活塞从一个（例如，下游）位置行进到相对的（例如上游）位置时允许流体穿过环形通道。加速度计传感器可被安装到该活塞以通过相对于时间积分加速度数据来连续地感测在精确圆孔圆筒（例如，管，流管等）内行进的活塞的速度。体积流量速率可通过将该速度与流管的面积相乘来计算。

 构造成与该装置相关联的处理器可被采用以利用双测时法脉冲插值方法来标定流体流量，这还提供了少量仪表脉冲计数。加速度计传感器发送对应通过加速度数据的积分而测量的速度的两个时间脉冲信号给处理器。加速度计可被安装到活塞上并且在活塞离开校验仪装置时在流体流的外部。加速度计也可被安装在流体流内。加速度数据可通过例如，有线的、无线的、或光学通信技术被发送给处理器。

 如果加速度计传感器位于圆孔圆筒内并与流体直接接触，那么可通过位于加速度计传感器内的温度监测和补偿算法单元来执行对由流体温度所影响的圆孔的热膨胀的温度补偿。可通过处理器来开始校验运行，其提供并处理指示以将活塞拉到上游位置中。此后，活塞可被从例如链驱动返回机构上解除闩锁。沿着管行进的低阻力活塞自由地跟随流体的流动，并且对流动流的可能影响最少。当活塞被释放时，流动通过阀通过弹簧张力而关闭并且活塞速度被与流体速度同步。

 当加速度计传感器已被启动时并且在活塞已经被释放并且与流体流同步之后，脉冲信号可被发送到处理器以开始计时序列。在到达结束时，另一脉冲信号可被发送给处理器以停止计时序列。在装置内的流体压力将活塞的外周进一步推向下游，打开流动通过阀，由此允许流动继续，并且管线压力中的脉动或浪涌几乎没有。活塞以与液体相同的速率行进并且开始了加速度计传感器数据采集以确定流量速率的测量。

 活塞在一个轴线内行进并且速度以相对可预测的方式单调地增加。加速度计传感器可计算活塞速度而没有对准和温度敏感性问题。流量速度中的变化可被加速度计传感器感测到以验证流体流内的上游或下游的流量计的准确性，并且如果速度在活塞的整个行进中都变化就可提供警报信号。

附图说明

 附图中的全部单独的视图中相同的附图标记指的是同样的或功能类似的元件，附图被包含在说明书中并形成说明书的一部分，附图进一步示出了本发明并且，与本发明的具体描述一起，用来解释本发明的原理。

 图1说明了根据一个实施例的与在流体流的外部安装在活塞上的加速度计传感器相关联的小体积校验仪装置的框图；

图2说明了根据另一个实施例的与在流体流的内部安装在活塞上的加速度计传感器相关联的小体积校验仪装置的框图；

图3说明了根据公开的实施例的与加速度计传感器相关联的小体积校验仪装置的示意图；以及

图4说明了根据公开的实施例的高水平操作流程图，其说明了用来利用加速度计传感器精确地测量通过管的流体的流量速率的方法的逻辑操作步骤。

具体实施方式

 在这些非限定性示例中讨论的特定值和构造可被改变，并且它们被引用只是用来说明至少一个实施例而不是用来限制其范围。

 现在将参照附图更加全面地描述实施例，附图中示出了本发明的示例性实施例。本文中公开的实施例可以许多不同的形式体现，并且不应该被理解为被限制于本文公开的实施例；相反，这些实施例被提供以使得本公开将是透彻的和完全的，并且全面地将本发明的范围传达给本领域技术人员。通篇中同样的标记指示同样的元件。本文中被使用时，术语“和/或”包括相关的被列项的一个或多个的任意和全部的组合。

 本文使用的术语是仅用于描述特定实施例的目的而不是用来限制本发明。在本文中使用时，单数形式的“一”、“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。还应该理解的是，术语“包括”和/或“包含”，当在说明书中被使用时，具体说明了所述特征、整体、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。

 图1说明了根据所公开的实施例的与在流体流的外部安装在活塞130上的加速度计传感器150通信的小体积校验仪装置100的框图。小体积校验仪装置100可基于没有液压或气动技术的简单机械操作而正常工作。装置100提供了关于流体流的恒定温度并且通过最小化在测量导管内和周围的流体的压力差维持了测量导管的恒定基本体积。装置100可利用电子脉冲计数计数，例如，双测时法操作，来标定流体的流量速率。

 装置100通常包括精确圆孔圆筒120（例如，流管），其具有流动进口110和流动出口190。精确圆孔圆筒120可维持和容纳活塞130，该活塞130构造成带有流动通过阀装置140以在活塞130从一个位置向相对位置行进时允许流体流过环形通道。注意，活塞130优选是低阻力活塞。还注意，在一些实施例中，精确圆孔圆筒120可形成管线的一部分或者可被以管的形状被提供。精确圆孔圆筒120具有已知的体积，这可利用抽水程序来验证。精确圆孔圆筒120可用作装置100的测量室。

 加速度计传感器150可被安装到活塞130上以当活塞在两个位置（例如，第一位置和第二位置，一个位置和相对位置，等）之间移动时通过积分活塞130的加速度来连续地检测活塞130的速度。注意，如果活塞或杆的部件离开校验仪装置100，那么加速度计传感器150可被在流体流的外部安装到活塞130上，如图1中所示。

 图2示出了根据另一实施例的装置100的框图。在图2描述的构造中，加速度计传感器150可被安装在流体流内。一般而言，加速度计传感器150发送两个时间脉冲信号给处理器180，它们对应通过加速度数据的积分而测量的速度。应该注意到，加速度计传感器150不实际测量两个位置之间的时间，而是能输出两个脉冲，它们之间的时间对应通过加速度的积分测量的速度。

 加速度数据可因此通过例如，有线的、无线的、或光学通信技术被发送给处理器180。处理器180可被构造成与装置100相关联以处理双测时法脉冲插值指令。处理器180可以是例如数据处理系统，例如简单微处理器或IC芯片、台式计算机或笔记本电脑、服务器、联网计算设备、和诸如平板电脑计算设备（例如，iPad类型设备）的其它处理设备、等等。

 活塞130可由适合于校验仪操作压力、温度、和对由被计量的流体引起的降级的期望阻力的材料构造。在一些实施例中，流动通过阀140可被定位在活塞130内以允许流体从其流过。阀140可在活塞130从上游位置移动到下游位置时被关闭。阀140可在活塞130从下游位置移动到上游位置时被打开。

 活塞130可通过例如链驱动机构来定位和起动。在这种链驱动机构的情形中，活塞130的待机模式可例如是阀140处于打开的下游位置。链驱动机构可将活塞130拉到上游位置。活塞130此后被释放并且阀140关闭以开始校验运行。活塞130可在其经过校验仪装置100的被标定部分（例如，精确圆孔圆筒）的长度时开始加速度计传感器150数据采集。注意，加速度计传感器150可被用来测量速度相对于时间的变化。

 活塞130的速度可通过利用加速度计传感器150将加速度数据相对于时间进行积分来被准确地测量。流体的体积流量速率可通过将该速度与流管的面积相乘而计算。在一些实施例中，由流体温度的变化引起的圆孔的热膨胀的温度补偿可由定位在加速度计传感器150内的或者由加速度计传感器150维持的温度监测和补偿算法单元155执行，加速度计传感器150被定位在圆孔圆筒120内并且与流体直接接触，如在图2中所示。可使液体穿过装置100直到温度和压力被稳定。与加速度计传感器150相关联的这种小体积校验仪装置100可被采用以实现对例如流体流量传感器或流量计的准确可变体积标定。

 注意，通常在校验仪中有两种类型的温度补偿。第一是对棒的热膨胀的补偿，用于速度测量的光学传感器安装在该棒上。因为这种棒不存在于本文公开的设计内，所以实际上没有理由使用这种类型的温度补偿。第二是对校验仪容器（例如，圆孔）本身的热体积膨胀的补偿。仅在加速度计传感器150位于圆孔内并与流体直接接触时，加速度计传感器150才可能具有对圆孔的膨胀的合并温度测量。总的来说，关于图1的温度测量不是必需的，因为它没有测量圆孔的温度膨胀。不过，图2的构造是有用的，但主要是因为圆孔膨胀补偿。

 重要的是，注意到目前在场内的校验计算机目前不能获取速度或者甚至是时间。它们被编程为在光学传感器每一个被触发时接收脉冲并且它们自己计算在两个脉冲之间的时间（并且最终基于预编程的距离和体积设置计算速度和流量速率）。为了与这种已安装的基础设置一起实施，这个加速度计传感器150可被构造成及时输出与活塞130的速度对应的两个脉冲。不过，加速度计传感器150在此背景下不测量两个位置之间的时间，而是能输出两个脉冲，它们之间的时间对应通过加速度的积分测量的速度。

 图3说明了根据公开的实施例的与加速度计传感器150相关联的小体积校验仪装置100的透视图。注意到，在图1-4中， 同一的或类似的框通常由同一附图标记指示。活塞130的精确位置可通过加速度计传感器150来监测。可通过处理器180开始校验运行，处理器处理将活塞130拉到上游位置中的指示。此后，活塞130可被从例如链驱动返回机构上解除闩锁。沿着例如圆筒120行进的低阻力活塞130自由地跟随流体的流动，并且对流动流的可能影响最少。当活塞130被释放时，流动通过阀140通过弹簧张力而关闭并且活塞速度被与流体速度同步。加速度计传感器150可在活塞130被释放时或在较短运行后被启动。

 当加速度计传感器150已被启动时在活塞130已经被释放并且与流体流同步之后，脉冲信号可被发送到处理器180以开始计时序列。在到达结束时，另一脉冲信号可被发送给处理器180以停止计时序列。在装置100内的流体压力通常将活塞130的外周进一步推向下游，打开流动通过阀140，由此允许流动继续，并且管线压力中的脉动或浪涌几乎没有。活塞130通常以与液体相同的速率行进并且开始了加速度计传感器150数据采集以确定流量速率的测量。

 注意，活塞130可沿着单个轴线的方向行进并且速度以相对可预测的方式单调增加。加速度计传感器150可通过在没有对准和温度敏感性问题的情况下计算活塞130的速度来充分利用这个活塞行进布置。装置100也可利用双测时法方法来计算体积流量速率。双测时法方法提供了少量仪表脉冲计数来标定流体的流量速率。双测时法方法提供了确切时间区分和脉冲计数，这实现了对流体流动的标定中的更高精度。可利用处理器180确定对流体流动、温度、压力、和活塞130的位置的测量。

 图4根据公开的实施例说明了图示了方法400的逻辑操作步骤的高水平操作流程图，该方法用于利用加速度计传感器150提供可变体积标定。精确圆孔圆筒120和活塞130可被构造成带有阀装置140，如在框410所示。当活塞130从一个位置向相对位置行进时可允许流体经过环形通道，如在框420所示。加速度计传感器150可被在流体流的内部/外部被安装到活塞130，如在框430所示。

 此后，如在框440所示，在管内行进的活塞130的速度可通过使用加速度计传感器150将加速度数据相对于时间积分而被连续地检测。可通过将该速度与流管（例如，圆筒120）的面积相乘来计算体积流量速率，如在框450所示。

 与加速度计传感器150相关联的这种小体积校验仪装置100可被采用以实现对活塞130的精确和快速的位置感测。流速中的变化可被加速度计传感器150感测到以验证在流体流中的上游或下游的流量计的准确度，并且在该速度在活塞整个行进中都变化时可提供警报信号。

 一般而言，所公开的实施例为小体积校验仪做准备，该校验仪通过测量在圆筒形部件内行进或行进通过该圆筒形部件的活塞130的速度来精确地测量了通过该圆筒形部件，例如管、流管等的流体的流量速率。这种实施例的过程包括首先将管拉到上游然后放开，并且此后让活塞130在几英寸（例如，10''）的距离上行进并跟上。然后，可精确地测量活塞在两个点之间移动所用的时间。因为管（例如，流管，圆筒，等）的面积是已知的，所以通过将速度乘以面积来计算流体的体积流量速率。

 如前面所指出的，目前的系统采用了光学传感器，这些传感器非常难以在校验仪上对准。本文中的方法的特征产生了简单得多的成本有效方法，因为活塞130仅在一个轴线上行进并且其速度以相对可预测的方式单调增加。

 基于前面，可以认识到，本文公开的数个实施例是优选的并且是非传统的。例如，在一个实施例中，小体积校验仪装置100可包括具有流动进口和流动出口190的精确圆孔圆筒。这种装置100也可包括由该精确圆孔圆筒保持并在其内容纳的活塞130，活塞130构造成具有流动通过阀装置，其在活塞130从下游位置向上游位置行进时允许流体从流动进口流到流动出口190并且经过环形通道，并且确定流体的流量速率的测量。另外，加速度计传感器150可被安装到活塞130。这种加速度计传感器150可通过将加速度数据相对于活塞130在上游位置和下游位置之间移动的时间量进行积分来连续地检测活塞130的速度，该速度乘以流管的面积来计算流体的体积流量速率。

 在另一实施例中，处理器180可被采用，其接收至少两个时间脉冲信号，所述信号对应通过对来自加速度计传感器150的加速度数据进行积分而测量的速度。在其它的实施例中，处理器180可利用提供少量仪表脉冲计数的双测时法脉冲插值标定流体的流量速率。在其它的实施例中，通信模式可被提供以实现加速度数据到处理器180的传输。在其它的实施例中，加速度计传感器150可在流体流的外部安装到活塞130。在其它的实施例中，加速度计传感器150可在流体流的内部被安装到活塞130。在另一实施例中，温度监测和补偿算法单元可被定位在加速度计传感器150以监测由流体温度导致的圆孔圆筒的热膨胀的温度补偿。

 在另一个实施例中，小体积校验仪装置100可被实施，其包括具有流动进口110和流动出口190的精确圆孔圆筒。在这个实施例中，活塞130可由该精确圆孔圆筒保持并在其内容纳，活塞130构造成具有流动通过阀装置，其在活塞130从下游位置向上游位置行进时允许流体从流动进口110流到流动出口190并且经过环形通道，并且确定流体的流量速率的测量。在这种实施例中，加速度计传感器150可被安装到活塞130，以通过将加速度数据相对于活塞130在上游位置和下游位置之间移动的时间量进行积分来连续地检测活塞130的速度，该速度乘以流管的面积来计算流体的体积流量速率。这种实施例可还包括处理器180，其与加速度计传感器150通信并且其接收至少两个时间脉冲信号，所述信号对应通过来自加速度计传感器150的加速度数据的积分而测量的速度，从而辅助计算流体的体积流量速率。

 在其它的实施例中，可提供用于测量流体的流量的方法。这种方法可包括如下步骤：当活塞130从下游位置向上游位置行进时，使流体经过与精确圆孔圆筒相关联的环形通道，该圆筒容纳与阀装置相关联的活塞130；利用与活塞130通信的加速度计传感器150连续地检测活塞130的准确位置和运动；并且通过利用加速度计传感器150将加速度数据对活塞130在上游位置和下游位置之间运动的时间量进行积分来准确地测量活塞130的速度，从而此后通过将该速度与流管的面积相乘而计算流体的体积流量速率。

 在其它的实施例中，可提供一个步骤来将对应通过对来自加速度计传感器150的加速度数据进行积分而测量的速度的至少两个时间脉冲信号发送给处理器180。在其它的实施例中，可提供一个步骤以通过处理提供少量仪表脉冲计数的双测时法脉冲插值指令的处理器180自动地标定流体流。在另外的实施例中，可提供一个步骤来在流体流的外部将加速度计传感器150安装到活塞130上。在另外的实施例中，可提供一个步骤来在流体流的内部将加速度计传感器150安装到活塞130上。

 在另外的实施例中，一个步骤可被实施为通过定位在加速度计传感器150内的温度监测和补偿算法单元执行对由流体温度导致的圆孔圆筒的热膨胀的温度补偿。在另外的实施例中，一个步骤可被实施为通过通信模式将加速度数据传输给处理器180。在其它的实施例中，这种通信模式可以是下列中的至少一个： 有线通信模式、无线通信模式；或者光学通信模式、或它们的组合。

 在其它的实施例中，可提供一个步骤以通过与处理器180的交互来开始校验运行，从而将活塞130拉到上游位置并将活塞130从链驱动返回机构上接收闩锁。在另一实施例中，可提供一个步骤以利用加速度计传感器150检测流体流的速度的变化，从而验证关于该流体流的流动测量准确性并在活塞130的速度在活塞130从下游位置向上游位置或从上游位置向下游位置行进时变化的情况下提供警报信号。

 在另外的实施例中，可提供步骤以在活塞130已经被释放且与流体流同步之后加速度计传感器150被启动时，将脉冲信号发送给处理器180从而开始计时序列，并且在活塞130从上游位置向下游位置的运动期间关闭活塞130内的流动通过阀。在另外的实施例中，提供步骤以将第二脉冲信号发送给处理器180从而终止计时序列并且在流动通过阀从下游位置向上游位置移动时打开流动通过阀，从而允许流体以不显著的压力损失量自由地流过精确圆孔圆筒。

 还认识到，上面公开的和其它的特征与功能的变化，或它们的替换方式，可按需要被组合到许多其它的不同系统或应用。而且，它们中的各种目前未知的或与预料到的替换方式、改进、变化或提高可在今后由本领域技术人员做出，这些也认为由下面的权利要求包含。

Claims (9)

1.一种小体积校验仪装置，包括：

       具有流动进口和流动出口的精确圆孔圆筒；

       由所述精确圆孔圆筒保持并在其内容纳的活塞，所述活塞构造成带有流动通过阀装置，其在所述活塞从下游位置向上游位置行进时允许流体从所述流动进口流到所述流动出口并经过环形通道并且确定所述流体的流量速率的测量；以及

       加速度计传感器，其安装到所述活塞并且通过对加速度数据对所述活塞在所述上游位置和所述下游位置之间移动的时间量进行积分来连续地检测所述活塞的速度，所述速度乘以流管的面积来计算所述流体的体积流量速率。

2.如权利要求1所述的装置，还包括处理器，其接收至少两个时间脉冲信号，所述信号对应通过对来自所述加速度计传感器的加速度数据进行积分而测量的所述速度。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述处理器利用提供少量仪表脉冲计数的双测时法脉冲插值来标定所述流体的所述流量速率。

4.如权利要求1所述的装置，还包括： 

       与所述加速度计传感器通信的处理器；以及

       用于将所述加速度数据传输到所述处理器的通信模式。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述加速度计传感器在所述流体的所述流的外部被安装到所述活塞。

6.一种小体积校验仪装置，包括：

       具有流动进口和流动出口的精确圆孔圆筒；

       由所述精确圆孔圆筒保持并在其内容纳的活塞，所述活塞构造成带有流动通过阀装置，其在所述活塞从下游位置向上游位置行进时允许流体从所述流动进口流到所述流动出口并经过环形通道并且确定所述流体的流量速率的测量；

       加速度计传感器，其安装到所述活塞并且通过对加速度数据对所述活塞在所述上游位置和所述下游位置之间移动的时间量进行积分来连续地检测所述活塞的速度，所述速度乘以流管的面积来计算所述流体的体积流量速率；以及

       处理器，其与所述加速度计传感器通信并且接收至少两个时间脉冲信号，所述信号对应通过对来自所述加速度计传感器的所述加速度数据的积分所测量的所述速度以辅助计算所述流体的所述体积流量速率。

7.一种用于测量流体流的方法，所述方法包括：

       当活塞从下游位置向上游位置行进时，使流体流过与精确圆孔圆筒相关联的环形通道，所述圆筒容纳与阀装置相关联的所述活塞；

       利用与所述活塞通信的加速度计传感器连续地检测所述活塞的准确位置和运动；以及

       通过利用所述加速度计传感器对加速度数据对所述活塞在所述上游位置和所述下游位置之间移动的时间量积分来测量所述活塞的速度，从而此后通过将所述速度乘以流管的面积来计算所述流体的体积流量速率。

8.如权利要求7所述的方法，还包括发送至少两个时间脉冲信号给处理器，所述信号对应通过对来自所述加速度计传感器的所述加速度数据进行积分而测量的所述速度。

9.如权利要求7所述的方法，还包括通过处理器自动地标定所述流体流，所述处理器处理提供少量仪表脉冲计数的双测时法脉冲插值指令。

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