CN103890552B - 活塞校准器装置、方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种通过测量内部活塞的位置来准确地测量流体流率的活塞校准器装置、方法和系统。该活塞可以与位于圆筒内的提升阀装置相结合，从而当在对流量进行校准之前将活塞拉动到上游位置时允许流体（例如，低温流体）通过孔口通路。与马达和编码器相关联的致动器可以位于圆筒内。当启动校准运行时，马达将活塞驱动到圆筒的上游位置。一旦活塞被释放以便进行校准运行，则可以准确地测量活塞的初始位置和最终位置以及通过时间。

Description

活塞校准器装置、方法和系统

技术领域

实施例一般地涉及流量计校准系统和方法。实施例还涉及小体积校准器。此外，实施例涉及低温应用和非低温应用。

背景技术

流量计、校准器和流量校准部件利用已知的可追踪体积来模拟实际操作条件并且测试和检验它们的性能。小体积校准器（SVP）或活塞校准器可以用于准确地测量流体流动过程中的流量并且用于校准例如密闭输送、管道等中所使用的流量测量装置。小体积校准器通常包括携带传感器的精密孔圆筒，这些传感器检测活塞行程的开始和结束。在与流体流动相反的方向上向上游方向驱动活塞，然后释放活塞使其与流体流一起移动以便测量流体的流率。

小体积校准器通常包括连接到活塞的活塞杆，该活塞突出到校准器的外部以便利用外部马达将活塞拉动到上游位置。图1示出了现有技术的具有退出校准器100的活塞杆135的小体积校准器100的透视图。小体积校准器100包括具有流动入口110和流动出口190的圆筒120。配置有提升阀装置140的活塞130位于圆筒120内。可以利用连接到退出校准器外壳195的活塞杆135的外部马达，向上游方向驱动活塞130。外部活塞杆135可以被密封到校准器外壳195。

与这种校准器设计有关的问题之一在于：由于流体内所含污染物干扰、校准器容积外的污染物或杆135作用于校准器密封的力，活塞杆密封会暂时地泄漏；因此，在校准器100的操作期间会发生密封磨损和/或密封损坏。此外，当活塞杆135在圆筒120的内部或外部运动时这种杆密封会发生泄漏，特别是如果流体具有低的粘度、润滑性和温度。例如，在液化天然气（LNG）的情况下，泄漏的流体是可燃的并且会引起潜在的环境危害。此外，密封泄漏导致不准确的流量测量。

基于前面的描述，相信对于提供准确位置测量的改进的活塞校准器装置和方法存在需求，正如将在本文中更详细描述的。

发明内容

提供以下的发明内容以帮助对所公开实施例特有的部分的创新特征的理解，而并非意图是详尽的描述。通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要当作整体，可以获得对本文中所公开实施例的各种方面的充分理解。

因此，所公开实施例的一个方面提供一种改进的仪表校准装置、方法和系统。

所公开实施例的另一方面提供一种用于准确测量活塞在流管内的位置的改进的活塞校准器装置、方法和系统。

现在可以通过本文中所描述方式而实现前述的方面以及其它的目的和优点。本文中公开了通过测量内部活塞的位置而准确地测量流体流率的活塞校准器装置、方法和系统。一般来说，活塞可以与位于圆筒（例如，精密孔圆筒）内的提升阀装置相结合，以便当在对流量进行校准之前将活塞拉动到上游位置时允许流体（例如，低温流体）通过孔口通路。

具有马达（例如，可浸没的LNG线性马达）、丝杠和编码器的致动器（例如，线性致动器）可以位于圆筒内。当开始校准运行时，马达将活塞驱动到圆筒中的上游位置。一旦将活塞释放以开始校准运行，则准确地测量活塞的初始位置和最终位置以及通过时间。与致动器和活塞相结合的编码器提供指示活塞的初始位置和最终位置的输出信号，以便确定由活塞的运动排出的流体的体积。可以精确地测量活塞速度并且校准圆筒容积以便以高的精度和可重复性确定流率。

处理器可以利用双计时脉冲插补法来校准流体流量，该双计时脉冲插补法也提供部分仪表脉冲计数。线性致动器可以推动和/或拉动不再退出圆筒的校准器活塞。可以对安装到线性致动器的线性致动器丝杠加以修改，以便在低温下维持紧密度容限。如果在流体流向下游反向推动活塞时致动器保持连接到校准器活塞，则活塞可以反向驱动致动器丝杠。如果致动器丝杠的反向驱动力影响活塞的流向，则可以利用闩锁（例如，弹簧加载闩锁或类似装置）使致动器丝杠与活塞分离。

可以将马达与圆筒中的致动器放置在一起，以驱动被设计用于低温环境的致动器。用于马达的接线可以经过罐封式密封退出校准器。马达可以是例如带线圈的线性马达，所述线圈位于直线上以便在直线方向上驱动磁体和/或金属片。线性马达致动器包括可以耐受液化天然气（LNG）环境的环氧树脂密封线圈。线性马达可以保持连接到校准器活塞的状态，并且在对流体流动产生极小阻力的情况下提供准确的位置测量数据。与致动器相结合的编码器精确地测量活塞在圆筒中的位置，由此提供准确的位置测量信息。

附图说明

下面的附图（其中，在所有单独的视图中类似的附图标记指代相同或功能上类似的元件，这些视图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分）进一步说明本发明，并且连同对本发明的详细说明用以解释本发明的原理。

图1示出了具有退出离校准器的活塞杆的活塞校准器的透视图；

图2示出了根据所公开实施例的活塞校准器装置的方框图；

图3示出了根据所公开实施例的活塞校准器装置的透视图；

图4示出了根据所公开实施例的具有马达、编码器和丝杠的致动器的透视图；

图5示出了根据所公开实施例的线性马达的透视图；并且

图6示出了高级操作流程图，其示出了根据所公开实施例的方法的逻辑操作步骤，该方法用于准确地测量活塞在活塞校准器装置中的位置。

具体实施方式

在这些非限制性例中所描述的特定的值和构造可以变化并且被引用而仅仅用来说明至少一个实施例而并非意图限制其范围。

现在将在下文中参照附图更全面地描述实施例，在各附图中示出了本发明的说明性实施例。本文中公开的实施例可具体化为许多不同形态并且不应被解释成局限于本文中陈述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是详尽和完全的，并且将把本发明的范围完全地传达给所属领域技术人员。在本文的全文中，类似的附图标记指代类似的元件。本文中使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列出物件中的任意组合和全部组合。

本文中使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，并非意图限制本发明。除非上下文明确指出，本文中使用的单数形式“一”、“一个”和“该”意图还包括复数形式。还应当理解的是，本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”是指所陈述的特征、整数、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、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。

图2示出了根据所公开实施例的活塞校准器装置200的方框图，活塞校准器装置200具有位于校准器装置200内的致动器150。校准器装置200可以在没有液压传动装置或气动装置的情况下基于简单的机械操作而起作用。装置200提供相对于流体流而言为恒定的温度，并且通过使测量导管中的和周围的流体的压力降最小化而维持恒定的测量导管的基准容积。装置200可以利用电子脉冲计数技术（诸如双计时操作）来校准流体的流率。活塞校准器装置200可用于低温流体（例如LNG）的测量。

一般来说，可以通过将天然气冷却到-260°F的温度而形成LNG（诸如液态甲烷）。在该温度下天然气变为液体，其体积减小615倍。液化天然气相比气体形式更易于储存，因为它占据少得多的空间。LNG也更易于运输。低温流体，诸如液化氧、以及特别是燃料分配操作中所使用的低温烃类（诸如压缩和液化烃气体，通常是天然气（其大部分是甲烷）），经常被用于给发动机（特别是车辆发动机）提供动力达一段时间。具体地，通常在-40°F和-200°F之间的温度下且在约50-100 psig的压力下储存液化天然气或LNG。

装置200通常包括具有进口110和出口190的圆筒120（例如，流管、精密孔圆筒等）。装置200还包括活塞130，该活塞130配置有位于圆筒120内的提升阀装置140，从而当在对流量进行校准之前把活塞130拉动到上游位置时允许流体（例如，低温流体）通过孔口通路。应注意，活塞130优选地是低阻力活塞。然而，应理解的是在一些实施例中活塞130可以是另一类型的活塞，不必是低阻力活塞。还应注意，在一些实施例中圆筒120可构成管道的一部分或者可设置成管的形状。圆筒120具有已知的体积，可以利用抽水过程来验证该体积。圆筒120可以充当装置200的测量室。

活塞130可以由适合于校准器的操作压力、温度和期望的阻止被测量流体降解的性能的材料所构成。具有丝杠155、马达165和编码器160的致动器150可以位于校准器外壳195内。当开始校准运行时，马达165将活塞130驱动到圆筒120的上游位置。一旦活塞130被释放以便进行校准运行，则准确地测量活塞130的初始位置和最终位置以及通过时间。与致动器150和活塞130相结合的编码器160提供指示活塞130的初始位置和最终位置的输出信号，以确定由活塞130的运动排出的流体体积。

构造成与装置200相关联的处理器180可以利用双计时脉冲插补法来校准流体流量，其也提供部分仪表脉冲计数。处理器180连接到编码器160和马达165以控制并监测致动器150的运动。处理器180可以是例如数据处理系统，诸如简单的微处理器或集成电路芯片、桌上型计算机或膝上型计算机、服务器、网络化计算装置以及其它处理装置，诸如平板计算装置（例如，iPad型装置）等。与内部致动器150相关联的这种校准器装置200可以用于准确的可变容积校准。

图3示出了根据所公开实施例的活塞校准器装置200的透视图。应注意，在图1-6中相同或类似的方框通常是用相同的附图标记来表示。活塞校准器装置200包括用于支撑轴115的轴支架125和用于支撑致动器150的致动器支架185。后部的突出传动件145适应轴125和丝杠155的运动。马达165可以被放置成与圆筒120中的编码器160在一起，以便驱动被设计用于低温环境的致动器150。可以利用例如链传动机构来定位和起动活塞130。在这种链传动机构的情况下，活塞130的待命模式可以在例如下游位置并且提升阀装置140处于打开状态。该链传动机构可以将活塞130拉动到上游位置。然后释放活塞130并关闭提升阀装置140以开始校准运行。当活塞130在校准器装置200的校准部分（例如，精密孔圆筒）的长度上运动时，活塞130可以开始编码器160数据采集。

当在活塞130已被释放且与流体流动同步之后启动致动器150时，可以将信号传输至处理器180以开始计时序列。在活塞130以流体的速度从上游位置移动到下游位置期间将位于活塞130内的提升阀装置140关闭，从而排出确认的体积。在到达致动器150的端部时，信号被传输至处理器180以停止计时序列。编码器160提供指示活塞130的初始位置和最终位置的输出信号，以便确定由活塞130的运动排出的流体体积。当提升阀装置140从下游位置移动到上游位置时打开提升阀装置140，从而在轻微压力损失的情况下允许流体自由地流动通过圆筒120。

装置200中的流体压力通常将活塞130的周边进一步向下游方向推动，从而打开提升阀装置140，由此在管道压力中有很少至没有脉动或激增的情况下允许流动继续。活塞130通常以与液体相同的速率运动并且开始编码器160的数据采集从而确定流率的测量值。双计时法提供精确的时间鉴别和脉冲计数，由此在流体流量校准中实现较高的精度。可以利用处理器180来确定活塞130的流体流量、温度、压力和位置的测量值。

图4示出了根据公开的实施例的致动器150的透视图，致动器150具有马达165、编码器160和丝杠155。应注意，根据设计思想，致动器150可以是例如线性致动器。应理解的是，可使用其它类型的致动器来代替建议的致动器。线性致动器马达165可具有可以耐受LNG环境的环氧树脂密封线圈。线性致动器150可推动或拉动校准器活塞130，并且活塞杆135不再需要退出校准器外壳195。可以对安装到线性致动器150的线性致动器丝杠155加以修改以便在低温下维持紧密度容限。

如果在流体向下游反向推动活塞130时致动器150保持连接到校准器活塞130，则活塞130可以反向驱动致动器丝杠155。如果致动器丝杠155的反向驱动力影响活塞130的流动，则可以利用闩锁（例如，弹簧加载闩锁或类似的装置）使致动器丝杠155与活塞130分离。线性致动器丝杠155必须适合于低温流体。线性致动器150为大的校准器提供至少1000磅的力。可以在旋转运动转变成直线运动之前，将马达165与编码器160组装在一起。编码器160也可以是与丝杠155相关联地定位的线性电位器，如图4中所示。

在圆筒120中可以将马达165放置成与丝杠155在一起，以便驱动被设计成用于低温环境的致动器150。与致动器150相结合的编码器160可以用于精确地测量活塞130在圆筒120中的位置，从而提供准确的位置测量。这使得圆筒120内的活塞130的位置测量的复杂性最小化。应注意，在一个替代实施例中，如果反向驱动力要求丝杠155与活塞130分离，则可以利用单独的位置测量传感器来测量活塞位置。

图5示出了根据所公开实施例的线性马达165的透视图。应注意，根据设计思想，马达165可以是例如线性马达。应当理解的是，可使用其它类型的马达来代替建议的马达。线性马达165实质上是安装在圆筒120中的旋转电马达。马达165以线性方式运动。线性马达165包括定位在直线中的定子166、推进器162和线圈168，用于在直线方向上驱动磁体164和/或金属片。线性马达165可以保持连接到校准器活塞130并提供准确的位置测量，同时提供对流体流动的最小化阻力。马达165的接线可以经过罐封式密封而退出校准器外壳195。

图6示出了高水平操作流程图，其示出了根据所公开实施例的方法400的逻辑操作步骤，方法400用于准确测量活塞130在精密孔圆筒120中的位置。最初，与提升阀装置140相结合的活塞130可以位于圆筒120内，如在方框410处所示。与马达165和编码器160相关联的致动器150可以位于校准器外壳195内，如在方框420处所示。

当开始校准运行时，马达165将活塞130驱动到校准容积的上游位置，如在方框430处所示。此后，如在方框440处所示，当活塞130从下游位置移动到上游位置时，流体（例如，低温流体）可以通过孔口通路。与致动器150和活塞130相结合的编码器160提供指示活塞130的运动和由活塞130运动排出的流体体积的输出信号，如在方框450处所示。最后，可以精确地测量活塞130的速度并且对圆筒容积进行校准，以便以高的精度和高的可重复性确定流率，如在方框460处所示。

基于前述内容，应当理解的是本文公开了一些优选和替代的实施例。例如，在一个实施例中公开了一种用于测量低温流体和非低温流体的流量的活塞校准器装置。这种装置可以包括：被圆筒支撑且被容纳在圆筒内的活塞，该活塞配置有过流阀装置，当活塞不在进行流量测量并且当活塞从下游位置移动到上游位置时，该过流阀装置允许流体通过孔口通路；以及被圆筒保持且被容纳在圆筒内的与马达相关联的致动器，其中，当开始校准运行时马达将活塞驱动到圆筒的上游位置。

在另一个实施例中，这种装置还可以包括与致动器相结合的编码器，其中，该编码器位于圆筒内，以精确地测量活塞在圆筒中的位置并且生成输出信号，该输出信号指示活塞的位置以及与指示流体流率的数据相关联的由活塞运动排出的流体体积。在又一个实施例中，这种装置可以包括位于圆筒上的出口和进口。在又一个实施例中，这种装置还可以包括处理器，该处理器用于利用提供部分仪表脉冲计数的双计时脉冲插补法来计算流体的流率。这种处理器可以用于流量计的校准。

在另一个实施例中，可以将丝杠与致动器结合，对致动器进行修改以便维持低温流体在低温下的容限，使得如果在流体流将活塞反向推动到下游位置时致动器保持连接到活塞，则丝杠被活塞反向驱动。在又一个实施例中，如果致动器丝杠的反向驱动力影响活塞的流动，则可以利用闩锁使致动器丝杠与活塞分离。在又一个实施例中，位置传感器可以位于圆筒内，以精确地测量活塞在圆筒中的位置并且提供输出信号，该输出信号指示活塞的位置以及与指示流体流率的数据相关联的由活塞运动排出的流体体积。

在另一个实施例中，可以使用经过罐封式密封而退出圆筒的马达的接线。在另一个实施例中，致动器可以是线性致动器。在又一个实施例中，致动器可以是线性马达。在再一个实施例中，前述流体可以是低温流体或非低温流体。在其它实施例中，前述圆筒可以是精密孔圆筒。另外，在其它实施例中，可以使用处理器，该处理器启动校准运行并且向马达发出信号以便将活塞拉动到上游位置从而使活塞与链传动返回机构分离。

在又一个实施例中，可以执行用于测量低温流体和非低温流体的流量的方法。这种方法可包括例如如下操作：当配置有被圆筒支撑且被容纳在圆筒内的过流阀装置的活塞不在进行流量测量时以及当活塞从下游位置移动到上游位置时允许流体通过孔口通路；以及当利用被圆筒保持且被容纳在圆筒内的与致动器相结合的马达启动校准运行时，将活塞驱动到圆筒的上游位置。

在另一个实施例中，可以提供用于利用与致动器相结合的编码器来测量活塞在圆筒中位置的操作，并且生成输出信号，该输出信号指示活塞的位置以及与流体的流率相关联的由活塞运动排出的流体体积。在又一个实施例中，可以提供以下操作：将丝杠与致动器结合并修改致动器以维持低温流体在低温下的容限，使得如果在流体流推动活塞并使其返回到下游位置时致动器保持连接到活塞，则丝杠被活塞反向驱动。

在其它实施例中，可以通过以下操作：通过与处理器的相互作用而启动校准运行并且向马达发出信号以便将活塞拉动到上游位置从而使活塞与链传动返回机构分离。在其它实施例中，可以通过以下操作：在释放活塞且与流体流动同步之后，当启动致动器时将信号传输至处理器以启动计时序列；以及在活塞以流体的速度从上游位置运动到下游位置期间关闭位于活塞内的过流阀，从而排出确认的体积。

在其它实施例中，可以通过以下操作：当到达致动器的端部时将信号传输至处理器以终止计时序列；编码器提供指示活塞的初始位置和最终位置的输出信号以便确定由活塞运动排出的流体的体积，并且当过流阀从下游位置移动到上游位置时打开过流阀从而在轻微压力损失的情况下允许流体自由地流动通过圆筒。在其它实施例中，前述流体可以是低温流体或非低温流体。

在其它实施例中，可以提供一种用于测量低温流体和非低温流体的流量的系统。这种系统可以包括被圆筒支撑且被容纳在圆筒内的活塞，所述活塞配置有过流阀装置，当所述活塞不在进行流量测量时以及当所述活塞从下游位置移动到上游位置时该过流阀装置允许流体通过孔口通路。这种系统还可以包括被所述圆筒保持且被容纳在所述圆筒内的与马达相关联的致动器，其中，当开始校准运行时所述马达将所述活塞驱动到所述圆筒的上游位置。这种系统还可以包括与所述致动器相结合的编码器，其中，所述编码器位于所述圆筒内，以精确地测量活塞在圆筒中的位置并且生成输出信号，该输出信号指示活塞的位置以及与指示流体流率的数据相关联的由活塞运动排出的流体体积。

应注意，在这种系统的其它实施例中，出口和进口可以位于圆筒上。在这种系统的其它实施例中，处理器可以利用提供部分仪表脉冲计数双计时脉冲插补法来计算流体的流率。这种处理器可以用于流量计的校准。

在这种系统的又一个实施例中，丝杠可以与致动器相结合，将该致动器加以修改以维持低温流体在低温下的容限，使得如果在流体流将活塞反向推动到下游位置时致动器保持连接到活塞，则丝杠被活塞反向驱动。在其它实施例中，如果致动器丝杠的反向驱动力影响活塞的流动，则可以利用闩锁式致动器使丝杠与活塞分离。在这种系统的再一个实施例中，位置传感器可以位于圆筒内，以精确地测量活塞在圆筒中的位置并且提供输出信号，该输出信号指示活塞的位置以及与指示流体流率的数据相关联的由活塞运动排出的流体体积。

在这种系统的又一个实施例中，可以使用用于马达的接线，该接线经过罐封式密封而退出圆筒。在这种系统的另一个实施例中，致动器可以是线性致动器。在再一个实施例中，致动器可以是线性马达。在这种系统的又一个实施例中，前述流体可以是低温流体或非低温流体。在其它实施例中，前述圆筒可以是精密孔圆筒。此外，在这种系统的其它实施例中，可以使用处理器，该处理器启动校准运行并且向马达发出信号以便将活塞拉动到上游位置从而使活塞与链传导返回机构分离。

应当理解的是，以上所公开的变型以及其它特征和功能、或者其替代物可以理想地结合入许多其它不同的系统或用途。另外，各种目前可本领域技术人员在其中作出未预料或未意料的替代物、修改、变型或改进，这些替代物、修改、变型或改进也意图包括在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于测量低温流体和非低温流体的流量的活塞校准器装置，所述装置包括：

被圆筒支撑且被容纳在圆筒内的活塞，所述活塞配置有过流阀装置，当所述活塞不在进行流量测量时以及当所述活塞从下游位置移动到上游位置时，所述过流阀允许流体通过孔口通路；以及

被所述圆筒保持且被容纳在所述圆筒内的与马达相关联的致动器，其中，当开始校准运行时，所述马达将所述活塞驱动到所述圆筒的所述上游位置。

2.如权利要求1所述的装置，还包括与所述致动器相结合的编码器，其中，所述编码器与所述圆筒定位，以精确地测量所述活塞在所述圆筒中的位置并且生成输出信号，所述输出信号指示所述活塞的位置以及与指示所述流体的流率的数据相关联的由所述活塞的运动排出的流体体积。

3.如权利要求1所述的装置，还包括位于所述圆筒处的出口和进口。

4.如权利要求1所述的装置，还包括处理器，所述处理器用于利用提供部分仪表脉冲计数的双计时脉冲插补法计算所述流体的流率。

5.如权利要求1所述的装置，还包括与所述致动器相结合的丝杠，对所述致动器加以修改以维持低温流体在低温下的容限，使得如果在所述流体流将所述活塞反向推动到所述下游位置时所述致动器保持连接到所述活塞，则所述丝杠被所述活塞反向驱动。

6.一种用于测量低温流体和非低温流体的流量的方法，所述方法包括：

当配置有被圆筒支撑且被容纳在圆筒内的过流阀装置的活塞不在进行流量测量时以及当所述活塞从下游位置移动到上游位置时，允许流体通过孔口通路；以及

当利用被所述圆筒保持且被容纳在所述圆筒内的与致动器相结合的马达启动校准运行时，将所述活塞驱动到所述圆筒的所述上游位置。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

利用与所述致动器相结合的编码器测量所述活塞在所述圆筒中的位置；以及

生成输出信号，所述输出信号指示所述活塞的位置以及与所述流体的流率相关联的由所述活塞的运动排出的流体体积。

8.如权利要求6所述的方法，还包括：

将丝杠与所述致动器结合；以及

对所述致动器加以修改以维持低温流体在低温下的容限，使得如果在所述流体流推动所述活塞并使其返回到所述下游位置时所述致动器保持接到所述活塞，则所述丝杠被所述活塞反向驱动。

9.如权利要求6所述的方法，还包括：

通过与处理器的相互作用而启动校准运行；以及

向所述马达发出信号以便将所述活塞拉动到所述上游位置从而使所述活塞与链驱动返回机构分离。

10.一种用于测量低温流体和非低温流体的流量的系统，所述系统包括：

被圆筒支撑且被容纳在圆筒内的活塞，所述活塞配置有过流阀装置，当所述活塞不在进行流量测量以及当所述活塞从下游位置移动到上游位置时，所述过流阀装置允许流体通过孔口通路；

被所述圆筒保持且被容纳在所述圆筒内的与马达相关联的致动器，其中，当启动校准运行时，所述马达将所述活塞驱动到所述圆筒的所述上游位置；以及

与所述致动器相结合的编码器，其中，所述编码器位于所述圆筒内以精确地测量所述活塞在所述圆筒中的位置并且生成输出信号，所述输出信号指示所述活塞的位置以及与指示所述流体的流率的数据相关联的由所述活塞的运动排出的流体体积。