EA042711B1 - NONLINEAR ULTRASONIC METHOD AND DEVICE FOR QUANTITATIVE DETERMINATION OF MATERIALS (LIQUIDS, GAS, PLASMA) - Google Patents
NONLINEAR ULTRASONIC METHOD AND DEVICE FOR QUANTITATIVE DETERMINATION OF MATERIALS (LIQUIDS, GAS, PLASMA) Download PDFInfo
- Publication number
- EA042711B1 EA042711B1 EA202193213 EA042711B1 EA 042711 B1 EA042711 B1 EA 042711B1 EA 202193213 EA202193213 EA 202193213 EA 042711 B1 EA042711 B1 EA 042711B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- fluid
- amount
- temperature
- container
- specified
- Prior art date
Links
Description
Настоящая заявка испрашивает преимущество приоритета по предварительной патентной заявкеThe present application claims the benefit of priority under a provisional patent application
США с серийным № 62/855,514, озаглавленной Нелинейный ультразвуковой способ качественного и количественного определения текучих сред (жидкостей, газа, плазмы) и локализованного мониторинга конструктивной целостности емкости, заключающей в себе указанную текучую среду, поданной 31 маяU.S. Serial No. 62/855,514 entitled Nonlinear Ultrasonic Method for the Qualitative and Quantitative Determination of Fluids (Liquids, Gases, Plasmas) and Localized Monitoring of the Structural Integrity of a Container Enclosing Said Fluid, Filed May 31
2019 года, полное раскрытие которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.2019, the full disclosure of which is incorporated herein by reference.
Настоящее изобретение в целом относится к измерению материалов, и, более конкретно, оно относится к нелинейному ультразвуковому способу количественного определения материалов, включая жидкость, газ и/или плазму.The present invention generally relates to the measurement of materials, and more specifically, it relates to a non-linear ultrasonic method for the quantitative determination of materials, including liquid, gas and/or plasma.
Определение уровня, идентификация и измерение расхода материалов важны во многих отраслях промышленности. Например, в отраслях, связанных с обработкой ископаемого топлива, часто является критичным обеспечение надлежащего уровня текучей среды внутри резервуара для хранения, чтобы избежать переполнения. Один тип измерения расхода текучей среды представляет собой такое измерение текучей среды, при котором измеряют точное количество движущейся текучей среды за конкретный период времени для определения точного расхода текучей среды. Измерение текучих сред используется во многих отраслях промышленности, где требуется мониторинг текучих сред, в том числе в химической промышленности, в отраслях, связанных с обработкой ископаемого топлива (нефти и газа), и производственных отраслях. Например, в отраслях, связанных с обработкой ископаемого топлива, часто является критичным точное смешивание надлежащих количеств и типов материалов, удерживаемых в емкостях для хранения или перемещаемых по трубопроводам.Leveling, identification and flow measurement of materials are important in many industries. For example, in fossil fuel processing industries, it is often critical to ensure that the fluid level inside the storage tank is adequate to avoid overfilling. One type of fluid flow measurement is a fluid measurement that measures the exact amount of moving fluid over a specific period of time to determine the exact flow rate of the fluid. Fluid measurement is used in many industries where fluid monitoring is required, including the chemical industry, fossil fuel (oil and gas) processing industries, and manufacturing industries. For example, in fossil fuel processing industries, it is often critical to accurately mix the proper amounts and types of materials held in storage tanks or transported through pipelines.
В настоящее время существует множество устройств и методов для определения уровня текучей среды. Большинство из этих устройств являются инвазивными в том смысле, что с целью определения точного уровня заполнения текучей средой или ее точного расхода, эти устройства должны быть размещены внутри резервуара или трубопровода. Это создает проблемы с точки зрения обслуживания и эксплуатации. Например, механические расходомеры, которые используют крыльчатку, обычно действуют путем измерения расхода текучей среды с использованием размещения движущихся частей, либо путем пропускания изолированных известных объемов текучей среды через ряд зубчатых колес или камер, например за счет прямого вытеснения, либо посредством вращающейся турбины или ротора. Механические расходомеры, как правило, являются точными, частично вследствие своей способности к точному измерению числа оборотов механических компонентов, которое используется для оценки общего объемного расхода за короткий период времени. Однако механические расходомеры должны быть установлены в трубопроводной подсистеме, и их замена требует отключения трубопровода, что весьма неэффективно и затратно.Currently, there are many devices and methods for determining the level of the fluid. Most of these devices are invasive in the sense that in order to determine the exact level of filling with fluid or its exact flow rate, these devices must be placed inside a tank or pipeline. This creates problems in terms of maintenance and operation. For example, mechanical flowmeters that use an impeller typically operate by measuring the flow rate of a fluid using an arrangement of moving parts, or by passing isolated known volumes of fluid through a series of gears or chambers, such as by positive displacement, or by a rotating turbine or rotor. Mechanical flowmeters are generally accurate, due in part to their ability to accurately measure the number of revolutions of mechanical components, which is used to estimate total volumetric flow over a short period of time. However, mechanical meters must be installed in the piping subsystem, and replacing them requires shutting down the pipeline, which is highly inefficient and costly.
Кроме того, широко используются акустические время-пролетные расходомеры. Эти устройства измеряют скорости в двух противоположных направлениях трубы и затем вычисляют разность между ними, причем указанная разность может быть использована в качестве показателя скорости материала, протекающего по данной трубе. В дальнейшем вычисленная скорость, с которой перемещается материал, может быть использована, наряду с размером трубы и другими параметрами, для определения объемного расхода. Однако эти стандартные акустические расходомеры зачастую не являются достаточно точными для многих отраслей промышленности, включая многие области применения в отраслях, связанных с обработкой ископаемого топлива.In addition, acoustic time-of-flight flowmeters are widely used. These devices measure velocities in two opposite directions of the pipe and then calculate the difference between them, which difference can be used as an indication of the speed of the material flowing through the pipe. The calculated speed at which material is moved can then be used, along with pipe size and other parameters, to determine volume flow. However, these standard sonic meters are often not accurate enough for many industries, including many applications in fossil fuel processing industries.
В случае текучих сред, хранящихся в резервуарах, могут быть использованы датчики уровня заполнения для определения количества текучей среды. Датчики этих типов обычно могут включать в себя либо датчики на основе радара, которые измеряют расстояние от верхней стороны до поверхности текучей среды, или встроенные измерительные провода и трубки, которые устанавливаются внутри резервуара. Датчики уровня заполнения не являются высокоточными по ряду причин. Текучие среды расширяются и сжимаются в зависимости от температуры, и в большинстве датчиков уровня заполнения не учитывается влияние температурных изменений на уровень заполнения. Кроме того, датчики уровня необходимо устанавливать внутри хранилищ или других емкостей, что создает проблемы с точки зрения их обслуживания и эксплуатации.In the case of fluids stored in tanks, fill level sensors can be used to determine the amount of fluid. These types of sensors can typically include either radar-based sensors that measure the distance from the top side to the surface of the fluid, or integral test leads and tubes that are installed inside the tank. Fill level sensors are not highly accurate for a number of reasons. Fluids expand and contract with temperature, and most fill level sensors do not take into account the effect of temperature changes on the fill level. In addition, level sensors need to be installed inside stores or other containers, which creates problems in terms of their maintenance and operation.
Таким образом, в данной области промышленности существует необходимость в устранении указанных проблем и недостатков, которые не были устранены к настоящему времени.Thus, there is a need in this field of industry to eliminate these problems and shortcomings, which have not been eliminated to date.
В вариантах осуществления раскрытия настоящего изобретения предложена система для определения весового количества текучей среды. В кратком изложении с точки зрения конструкции, один вариант осуществления системы, наряду с прочими, может быть реализован следующим образом. В емкости, имеющей определимый размер, заключено некоторое количество текучей среды. Акустический датчик, выполненный с возможностью размещения по существу на наружной стенке емкости, определяет уровень заполнения указанным количеством текучей среды указанной емкости. Датчик температуры измеряет температуру указанного количества текучей среды. С указанными акустическим датчиком и датчиком температуры сообщается компьютеризованное устройство, процессор которого вычисляет вес указанного количества текучей среды с использованием определимого размера емкости, определенного уровня заполнения, измеренной температуры и по меньшей мере одного из результата идентификации текучей среды или плотности текучей среды.In embodiments of the disclosure of the present invention, a system is provided for determining the weight amount of a fluid. Briefly, in terms of design, one embodiment of the system, among others, can be implemented as follows. A container having a definable size contains a certain amount of fluid. Acoustic sensor, made with the possibility of placement essentially on the outer wall of the container, determines the level of filling with a specified amount of fluid of the specified container. The temperature sensor measures the temperature of the specified amount of fluid. A computerized device communicates with said acoustic and temperature sensors, the processor of which calculates the weight of said amount of fluid using a detectable container size, a detected fill level, a measured temperature, and at least one of the result of fluid identification or fluid density.
- 1 042711- 1 042711
Раскрытие настоящего изобретения может также быть рассмотрено как предлагающее систему для определения расхода текучей среды на основе веса указанного количества текучей среды. В кратком изложении с точки зрения конструкции, один вариант осуществления указанной системы, наряду с прочими, может быть реализован следующим образом. Труба удерживает некоторое количество текучей среды. На наружной поверхности трубы в первом месте размещен первый акустический датчик. На наружной поверхности трубы во втором месте размещен второй акустический датчик, причем указанное второе место отличается от указанного первого места, и причем расстояние между указанными первым и вторым местами является определимым. Температура указанного количества текучей среды внутри трубы измеряется с помощью датчика температуры. С указанными первым и вторым акустическими датчиками сообщается компьютеризованное устройство, процессор которого вычисляет разность значений времени пролета для указанного количества текучей среды на основе показаний первого и второго акустических датчиков, измеренной температуры указанного количества текучей среды, объема трубы и по меньшей мере одного из результата идентификации текучей среды или плотности текучей среды, причем определяется весовой расход указанного количества текучей среды.The disclosure of the present invention can also be considered as offering a system for determining the flow rate of a fluid based on the weight of a specified amount of fluid. Briefly, in terms of design, one embodiment of this system, among others, can be implemented as follows. The pipe holds some fluid. The first acoustic sensor is located on the outer surface of the pipe in the first place. A second acoustic sensor is placed on the outer surface of the pipe at a second location, said second location being different from said first location, and the distance between said first and second locations being determinable. The temperature of the specified amount of fluid inside the pipe is measured using a temperature sensor. Said first and second acoustic sensors are in communication with a computerized device, the processor of which calculates the difference in the time-of-flight values for the specified amount of fluid based on the readings of the first and second acoustic sensors, the measured temperature of the specified amount of fluid, the volume of the pipe, and at least one of the result of identifying the fluid medium or density of the fluid, and the weight flow rate of the specified amount of fluid is determined.
Раскрытие настоящего изобретения может также быть рассмотрено как предлагающее способы определения веса некоторого количества текучей среды. В этой связи, один вариант осуществления указанного способа, наряду с прочими, может быть обобщенно представлен нижеследующими этапами, на которых: удерживают указанное количество текучей среды внутри емкости, имеющей определимый размер; определяют уровень заполнения емкости указанным количеством текучей среды с помощью акустического датчика, выполненного с возможностью размещения по существу на наружной стенке емкости; измеряют температуру указанного количества текучей среды с помощью датчика температуры; и вычисляют вес указанного количества текучей среды с помощью процессора компьютеризованного устройства, сообщающегося с указанными акустическим датчиком и датчиком температуры, на основе определимого размера емкости, определенного уровня заполнения, измеренной температуры и по меньшей мере одного из результата идентификации текучей среды или плотности текучей среды.The disclosure of the present invention can also be considered as offering methods for determining the weight of a certain amount of fluid. In this regard, one embodiment of this method, among others, can be summarized by the following steps, which: hold the specified amount of fluid inside a container having a definable size; determining the filling level of the container with the specified amount of fluid using an acoustic sensor, configured to be placed essentially on the outer wall of the container; measuring the temperature of said amount of fluid with a temperature sensor; and calculating the weight of said amount of fluid by the processor of the computerized device in communication with said acoustic sensor and temperature sensor based on the determined container size, the determined fill level, the measured temperature, and at least one of the result of the identification of the fluid or the density of the fluid.
Другие системы, способы, признаки и преимущества, обеспечиваемые раскрытием настоящего изобретения, станут или должны стать очевидны специалисту в данной области техники после изучения нижеследующих чертежей и подробного описания. Предполагается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества будут включены в настоящее описание, будут находиться в рамках объема раскрытия настоящего изобретения и будут защищены приложенной формулой изобретения.Other systems, methods, features and advantages provided by the disclosure of the present invention will become or should become apparent to a person skilled in the art upon examination of the following drawings and detailed description. It is intended that all such additional systems, methods, features, and advantages be included herein, be within the scope of the disclosure of the present invention, and be protected by the appended claims.
Многие аспекты раскрытия настоящего изобретения могут быть лучше поняты со ссылкой на нижеследующие чертежи. Компоненты на чертежах не обязательно выполнены в масштабе; вместо этого акцент делается на понятное иллюстрирование принципов настоящего изобретения. Кроме того, на чертежах одинаковые ссылочные номера обозначают соответствующие части на нескольких видах.Many aspects of the disclosure of the present invention can be better understood with reference to the following drawings. The components in the drawings are not necessarily drawn to scale; instead, the emphasis is on clearly illustrating the principles of the present invention. In addition, in the drawings, like reference numerals designate corresponding parts in several views.
На фиг. 1 представлена иллюстрация системы для определения веса некоторого количества текучего материала в емкости, согласно первому варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения, приведенного для примера.In FIG. 1 is an illustration of a system for determining the weight of a quantity of fluid material in a container, according to a first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention.
На фиг. 2 представлена иллюстрация системы для определения расхода некоторого количества текучей среды внутри трубы, согласно первому варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения, приведенного для примера.In FIG. 2 is an illustration of a system for determining the flow rate of a certain amount of fluid inside a pipe, according to the first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention.
На фиг. 3A представлена иллюстрация системы для определения веса некоторого количества текучей среды для измерения расхода указанного количества текучей среды, подлежащей впрыску в трубу с помощью системы впрыска, согласно второму варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения, приведенного для примера.In FIG. 3A is an illustration of a system for determining the weight of an amount of fluid to measure the flow rate of said amount of fluid to be injected into a pipe by an injection system, according to a second exemplary embodiment of the present disclosure.
На фиг. 3B представлено изображение системы впрыска, использующей вышеуказанную систему, согласно второму варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения, приведенного для примера.In FIG. 3B is a view of an injection system using the above system according to a second exemplary embodiment of the disclosure of the present invention.
На фиг. 4A представлена иллюстрация системы для определения изменений расхода для некоторого количества текучей среды из емкости, согласно первому варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения, приведенного для примера.In FIG. 4A is an illustration of a system for detecting flow rate changes for a quantity of fluid from a container, according to an exemplary first embodiment of the disclosure of the present invention.
На фиг. 4B представлена иллюстрация системы для определения изменений расхода для некоторого количества текучей среды в трубе, согласно первому варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения, приведенного для примера.In FIG. 4B is an illustration of a system for determining flow rate changes for a certain amount of fluid in a pipe, according to the first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention.
На фиг. 5A представлена блок-схема, иллюстрирующая способ измерения текучей среды согласно первому варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения, приведенного для примера.In FIG. 5A is a flowchart illustrating a fluid measurement method according to the first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention.
На фиг. 5B представлена блок-схема, иллюстрирующая способ измерения текучей среды согласно первому варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения, приведенного для примера.In FIG. 5B is a flowchart illustrating a fluid measurement method according to the first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention.
На фиг. 6 представлен способ определения конструктивных характеристик емкости по фиг. 1 согласно третьему варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения, приведенного для примера.In FIG. 6 shows a method for determining the design characteristics of the container of FIG. 1 according to a third exemplary embodiment of the disclosure of the present invention.
На фиг. 7 представлена иллюстрация комплексных методов обработки сигнала, используемые со способом определения конструктивных характеристик емкости по фиг. 1, согласно третьему варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения, приведенного для примера.In FIG. 7 is an illustration of the complex signal processing techniques used with the capacitance characterization method of FIG. 1 according to a third exemplary embodiment of the disclosure of the present invention.
- 2 042711- 2 042711
В вариантах осуществления раскрытия настоящего изобретения предложены система и способ определения данных для идентификации текучей среды, уровня текучей среды и весового расхода текучей среды. Согласно с данным раскрытием, термин материал может пониматься как включающий в себя жидкости, газы, плазму или схожие материалы, или любую их комбинацию. В одном варианте осуществления система и способ могут быть использованы для определения веса некоторого количества текучей среды в емкости. Еще в одном варианте осуществления система и способ могут быть использованы для определения расхода текучей среды в трубе с использованием определенного веса текучей среды. Раскрытие настоящего изобретения может быть использовано для определения типа материала без физического контакта с указанным материалом и без химического анализа. Указанные методы могут использовать нелинейный ультразвук, который используются для определения количественных свойств материала. Другие варианты осуществления раскрытия настоящего изобретения могут быть использованы в случае, если осуществляется физический контакт с материалом без химического анализа. Другие варианты осуществления раскрытия настоящего изобретения могут быть использованы для определения или мониторинга конструктивной целостности контейнера или емкости, заключающих в себе текучую среду, например могут определяться трещины, коррозия или другие конструктивные характеристики емкости.Embodiments of the disclosure of the present invention provide a system and method for determining data for fluid identification, fluid level, and fluid weight flow. As used in this disclosure, the term material may be understood to include liquids, gases, plasma, or similar materials, or any combination thereof. In one embodiment, the system and method can be used to determine the weight of a quantity of fluid in a container. In yet another embodiment, the system and method can be used to determine the flow rate of a fluid in a pipe using a certain weight of the fluid. The disclosure of the present invention can be used to determine the type of material without physical contact with said material and without chemical analysis. These methods can use non-linear ultrasound, which is used to determine the quantitative properties of the material. Other embodiments of the disclosure of the present invention may be used where physical contact is made with the material without chemical analysis. Other embodiments of the disclosure of the present invention can be used to determine or monitor the structural integrity of a container or container containing a fluid, for example, cracks, corrosion, or other structural characteristics of the container can be determined.
Хорошо известно, что плотность материала изменяется в зависимости от температуры и давления. Это изменение обычно мало для жидкостей, однако было обнаружено, что уровни текучей среды в емкости заметно увеличиваются и уменьшаются в зависимости не от чего иного, как от изменений температуры. Увеличение давления на материал приводит к уменьшению объема материала и, таким образом, к увеличению его плотности. Увеличение температуры материала (за немногочисленными исключениями) приводит к уменьшению его плотности вследствие увеличения его объема. Таким образом, вследствие влияния, которое температура и давление могут оказывать на объем материала, определение веса материала обеспечивает более высокую точность в отношении конкретного количества этого материала. Определение веса материала обеспечивает также ряд других преимуществ. По всему миру продажа материалов производится на вес. Хотя изменения температуры приводят к изменениям давления и/или объема материала, вес или масса материала в условиях гравитации не изменяются вследствие изменений температуры, давления или плотности. Таким образом, определение веса материала способно обеспечить более точный способ измерения или подтверждения количества материала во время коммерческой транзакции.It is well known that the density of a material varies with temperature and pressure. This change is usually small for liquids, however, it has been found that fluid levels in a container rise and fall markedly in response to nothing more than changes in temperature. Increasing the pressure on the material leads to a decrease in the volume of the material and thus to an increase in its density. Increasing the temperature of the material (with a few exceptions) leads to a decrease in its density due to an increase in its volume. Thus, due to the effect that temperature and pressure can have on the volume of a material, determining the weight of a material provides greater accuracy with respect to a specific amount of that material. Determining the weight of a material also provides a number of other benefits. All over the world, materials are sold by weight. Although changes in temperature result in changes in pressure and/or volume of the material, the weight or mass of the material under gravity does not change due to changes in temperature, pressure or density. Thus, determining the weight of a material can provide a more accurate way to measure or confirm the amount of material during a commercial transaction.
Объект настоящего изобретения относится к использованию измерения материала для определения значений расхода материала с использованием акустических технологий, что, в свою очередь, может быть использовано для определения изменений веса передаваемого материала. Результат заключается в возможности обеспечения высокоточных измерений расхода материала путем вычисления изменения веса материала на периодической основе, например через заданные временные интервалы в течение прошлого периода времени. Например, использование акустических технологий для измерения веса материала, хранящегося внутри резервуара или емкости, через каждые десять секунд, дает возможность определения чистого изменения веса в течение конкретного периода, например одной минуты, что может служить показателем расхода продукта, выходящего из резервуара или трубы или поступающего в них.An object of the present invention relates to the use of material measurement to determine material consumption values using acoustic technologies, which in turn can be used to determine changes in the weight of the transferred material. The result is the ability to provide highly accurate material flow measurements by calculating the change in material weight on a periodic basis, such as at predetermined time intervals over a past period of time. For example, using acoustic technology to measure the weight of a material stored inside a tank or vessel every ten seconds can determine the net change in weight over a specific period, such as one minute, which can be indicative of the flow rate of product leaving the tank or pipe or entering in them.
На фиг. 1 представлена иллюстрация системы 10 для определения веса некоторого количества текучего материала в емкости, согласно первому приведенному для примера варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения. Система 10 для определения веса указанного количества текучей среды, которая может обозначаться в данном документе просто системой 10, может быть прикреплена к стенке 16 емкости 12, содержащей текучую среду 14. Вдоль стенки 16 емкости 12 может быть размещен первый акустический датчик 20. Вдоль нижней стенки 18 емкости 12 размещен второй акустический датчик 30, который измеряет уровень заполнения текучей средой 14 емкости 12. На емкости 12, вблизи нее или внутри нее размещен датчик 40 температуры, который измеряет температуру текучей среды 14.In FIG. 1 is an illustration of a system 10 for determining the weight of a quantity of fluid material in a container, according to a first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention. A system 10 for determining the weight of a specified amount of fluid, which may be referred to herein simply as system 10, may be attached to the wall 16 of the container 12 containing the fluid 14. A first acoustic sensor 20 may be placed along the wall 16 of the container 12. Along the bottom wall 18 of the container 12, a second acoustic sensor 30 is placed, which measures the filling level of the container 12 with the fluid medium 14. A temperature sensor 40 is placed on the container 12, near it or inside it, which measures the temperature of the fluid medium 14.
Желательно определить вес текучей среды 14, поскольку этот вес является высокоточным параметром для определения других характеристик текучей среды 14, таких как расход текучей среды 14, выходящей из емкости 12, такой как впускная или выпускная труба, или поступающей в нее. В химической промышленности и отраслях, связанных с обработкой ископаемого топлива, вес рассматривается как наиболее точный показатель при количественном измерении материала, значительно превосходящий в этом смысле объем или измеряемое количество, такое как литры, галлоны или баррели. В сущности, танкерные поставки нефтепродуктов измеряются в метрических тоннах, а не в баррелях.It is desirable to determine the weight of fluid 14 because this weight is a highly accurate parameter for determining other characteristics of fluid 14, such as the flow rate of fluid 14 exiting or entering a container 12, such as an inlet or outlet pipe. In the chemical and fossil fuel processing industries, weight is regarded as the most accurate measure of material quantification, far superior in this sense to volume or measured quantities such as liters, gallons, or barrels. In essence, tanker shipments of petroleum products are measured in metric tons, not barrels.
Во время работы система 10 может быть использована с некоторым количеством текучей среды 14, конкретный тип которой может быть либо известен, либо неизвестен. Например, емкость 12 может быть заполнена текучей средой 14, о которой конкретно известно, что это определенное химическое соединение или вещество, либо тип текучей среды 14 внутри емкости 12 может быть неизвестен. Если тип текучей среды неизвестен, то первый акустический датчик 20 может быть способен точно идентифицировать жидкий материал с использованием известных акустических параметров, которые являются компенсируемыми по температуре, при обращении к базе данных для идентификации конкретного типа жидкости.During operation, the system 10 may be used with an amount of fluid 14, the specific type of which may or may not be known. For example, container 12 may be filled with a fluid 14 that is specifically known to be a particular chemical compound or substance, or the type of fluid 14 within container 12 may be unknown. If the type of fluid is unknown, then the first acoustic sensor 20 may be able to accurately identify the liquid material using known acoustic parameters that are temperature compensated when referring to a database to identify the particular type of fluid.
После идентификации текучей среды 14, либо если она заранее известна, второй акустический датчик 30, который размещен на нижней стенке 18 емкости 12, может быть использован для определения уровня заполнения путем его предельно точного измерения. Иначе говоря, теперь может быть определеOnce the fluid 14 has been identified, or if it is known in advance, the second acoustic sensor 30, which is placed on the bottom wall 18 of the container 12, can be used to determine the fill level by measuring it as accurately as possible. In other words, we can now define
- 3 042711 на высота верхней поверхности текучей среды 14 внутри емкости 12. Затем, с использованием этого определенного уровня заполнения и конструктивной информации о емкости 12, например градуировочной таблицы вместимости, которая идентифицирует объемное количество текучей среды при конкретных высотах или уровнях заполнения емкости 12, может быть определен точный объем текучей среды 14. На данном этапе может быть учтена температура текучей среды 14, что может быть достигнуто путем непосредственного измерения температуры, например с помощью датчика 40 температуры, или путем вычисления окружающей температуры, или другими методами. Когда тип текучего материала 14 идентифицирован, высота верхней поверхности текучей среды 14 в емкости 12 и температура текучей среды 14 могут быть использованы для вычисления веса.- 3 042711 to the height of the upper surface of the fluid 14 inside the tank 12. Then, using this determined fill level and design information about the tank 12, for example, a calibration table of capacity, which identifies the volumetric amount of fluid at specific heights or fill levels of the tank 12, can the exact volume of fluid 14 can be determined. At this point, the temperature of fluid 14 can be taken into account, which can be achieved by measuring the temperature directly, such as with a temperature sensor 40, or by calculating the ambient temperature, or other methods. Once the type of fluid 14 is identified, the height of the top surface of the fluid 14 in the container 12 and the temperature of the fluid 14 can be used to calculate the weight.
Хотя возможно использование акустического датчика 30, размещенного на нижней стенке 18 емкости 12, для определения уровня заполнения текучей средой 14 емкости 12 возможно также использование одного или более акустических датчиков в других местах на емкости 12 для определения уровня заполнения текучей средой 14. Например, множество акустических датчиков 30 могут быть размещены на внешней стороне емкости 12 в местах, расположенных вдоль нижней боковой стенки 16. Эти датчики 30 могут быть ориентированы под разными углами относительно высоты емкости 12. Например, в одном примере пять или более датчиков 30 могут быть использованы с ориентациями под различными углами, такими как 15°, 30°, 45°, 60° и 75°, так что каждый датчик 30 расположен с возможностью идентификации уровня заполнения на определенной высоте в емкости 12. Еще в одном примере датчики 30 могут быть размещены на расстоянии друг от друга вдоль вертикальной боковой стенки емкости 12, так что каждый датчик 30 может определять момент, когда уровень заполнения текучей средой 14 переместился ниже высоты датчика 30, соответственно, что может быть использовано для идентификации уровня заполнения жидкостью 14 емкости 12. Может быть использовано любое количество датчиков в любых местах и с любыми ориентациями, и все их комбинации рассматриваются как включенные в объем раскрытия настоящего изобретения. Может быть предпочтительным использование одного акустического датчика 30, размещенного на нижней стенке 18 емкости 12, по причине эффективности и более низких затрат на материалы, однако емкости 12, которые не обеспечивают возможность доступа к их нижним стенкам 18, например те, которые размещены на поверхности земли, могут быть использованы с другими конфигурациями датчиков для точного определения уровня заполнения текучей средой 14.While it is possible to use an acoustic sensor 30 located on the bottom wall 18 of the container 12 to determine the fluid level 14 of the container 12, it is also possible to use one or more acoustic sensors elsewhere on the container 12 to determine the fluid level 14. For example, a plurality of acoustic sensors 30 may be placed on the outside of container 12 at locations along the bottom sidewall 16. These sensors 30 may be oriented at different angles relative to the height of container 12. For example, in one example, five or more sensors 30 may be used with orientations under various angles, such as 15°, 30°, 45°, 60°, and 75°, so that each sensor 30 is positioned to identify the fill level at a certain height in the container 12. In yet another example, the sensors 30 may be placed at a distance apart along the vertical side wall of container 12 so that each sensor 30 can detect when the fluid level 14 has moved below the height of sensor 30, respectively, which can be used to identify the fluid level 14 of container 12. Any number of sensors at any location and with any orientation, and all combinations thereof, are considered to be included within the scope of the disclosure of the present invention. It may be preferable to use a single acoustic sensor 30 placed on the bottom wall 18 of the tank 12 for reasons of efficiency and lower material costs, however, tanks 12 that do not allow access to their bottom walls 18, such as those placed on the ground , may be used with other sensor configurations to accurately determine fluid level 14.
Если идентификация текучего материала 14 в емкости 12 невозможна, то может быть измерена и определена плотность текучей среды 14, и возможно вычисление фактического веса конкретной текучей среды 14 на основе измеренных и определенных плотности, объема и температуры текучей среды. С использованием данной информации затем возможно точное вычисление веса текучей среды 14 в конкретный момент времени.If identification of the fluid material 14 in the container 12 is not possible, then the density of the fluid 14 can be measured and determined, and the actual weight of the particular fluid 14 can be calculated based on the measured and determined density, volume, and temperature of the fluid. Using this information, it is then possible to accurately calculate the weight of the fluid 14 at a specific point in time.
Вычисления, выполняемые системой 10, могут выполняться с помощью компьютеризованного устройства 50, сообщающегося с первым акустическим датчиком 20, вторым акустическим датчиком 30 и датчиком 40 температуры. Для определения весового расхода текучей среды 14, процессор компьютеризованного устройства 50 может вычислять вес текучей среды в два или более моментов времени, или через заданные временные интервалы, на основе по меньшей мере измеренного уровня заполнения, определенного акустическим датчиком 30, и значения температуры от датчика 40 температуры. Компьютеризованное устройство 50 может принимать информацию, полученную в результате измерения, в виде сигналов 25 от датчиков, которые могут передаваться с помощью проводной связи, беспроводной связи или их комбинации. Компьютеризованное устройство 50 может представлять собой удерживаемое в руке вычислительное устройство, такое как планшетный компьютер, смартфон, считыватель, ноутбук или стационарное вычислительное устройство, или какое-либо другое электронное устройство, способное принимать сигналы и вычислять точки данных с использованием алгоритмов и обработки. Компьютеризованное устройство 50 может содержать дисплейный экран или графический пользовательский интерфейс, которые предоставляют релевантную информацию пользователю-человеку, или оно может быть соединено с другим вычислительным устройством через сеть связи или Интернет для передачи релевантной информации в какое-либо другое место.The calculations performed by system 10 may be performed by computerized device 50 in communication with first acoustic sensor 20, second acoustic sensor 30, and temperature sensor 40. To determine the weight flow rate of the fluid 14, the processor of the computerized device 50 may calculate the weight of the fluid at two or more times, or at predetermined time intervals, based on at least the measured fill level detected by the acoustic sensor 30 and the temperature value from the sensor 40 temperature. The computerized device 50 may receive the measurement information in the form of sensor signals 25, which may be transmitted via wired communication, wireless communication, or a combination of both. Computerized device 50 may be a hand-held computing device such as a tablet computer, smartphone, reader, laptop or desktop computing device, or some other electronic device capable of receiving signals and computing data points using algorithms and processing. The computerized device 50 may include a display screen or graphical user interface that provides relevant information to a human user, or it may be connected to another computing device via a communications network or the Internet to transmit the relevant information to some other location.
Также следует отметить, что система 10 может быть реализована на емкости 12 без проникновения. Первый и второй акустические датчики 20, 30 могут быть лишь приклеены к наружной поверхности емкости 12, а датчик 40 температуры может быть размещен снаружи или внутри емкости в удобном положении для измерения температуры текучей среды 14. Емкость 12 не нуждается в опорожнении или в открытии иным образом для конфигурирования системы 10. Если емкость 12 представляет собой емкость с двойными стенками, как показано на фиг. 1, то первый и второй акустические датчики 20, 30 могут быть размещены на наружной поверхности емкости 12 или снаружи от внутренней поверхности внутренней боковой стенки 16A, например в зазоре между внутренней боковой стенкой 16A и наружной боковой стенкой 16B. Датчик 40 температуры может быть размещен через внутренние и/или наружные боковые стенки 16A, 16B, например, в месте, проходящем от наружной поверхности емкости 12 до внутренней поверхности емкости 12, так что он способен поддерживать точные температурные показания в отношении текучей среды 14 внутри емкости 12. В других примерах датчик 40 температуры может быть размещен в других местах, и он необязательно должен находиться в контакте с текучей средой 14 или емко- 4 042711 стью 12. Могут быть использованы датчики 40 температуры всех типов, включая инфракрасные датчики температуры, термисторы, другие датчики температуры или любую их комбинацию. Разумеется, возможно также, чтобы первый и второй акустические датчики 20, 30 и/или датчик 40 температуры были установлены внутри емкости 12, если это требуется.It should also be noted that the system 10 can be implemented on the container 12 without penetration. The first and second acoustic sensors 20, 30 can only be glued to the outer surface of the container 12, and the temperature sensor 40 can be placed outside or inside the container in a convenient position to measure the temperature of the fluid 14. The container 12 does not need to be emptied or otherwise opened to configure system 10. If container 12 is a double-walled container as shown in FIG. 1, the first and second acoustic sensors 20, 30 may be placed on the outer surface of the container 12 or outside the inner surface of the inner side wall 16A, for example in the gap between the inner side wall 16A and the outer side wall 16B. The temperature sensor 40 may be placed through the inner and/or outer side walls 16A, 16B, for example, at a location extending from the outer surface of the container 12 to the inner surface of the container 12, so that it is able to maintain an accurate temperature reading of the fluid 14 within the container. 12. In other examples, the temperature sensor 40 may be placed in other locations and need not be in contact with the fluid 14 or container 12. All types of temperature sensors 40 may be used, including infrared temperature sensors, thermistors, other temperature sensors or any combination thereof. Of course, it is also possible for the first and second acoustic sensors 20, 30 and/or temperature sensor 40 to be installed inside the container 12, if desired.
В одной из множества альтернативных конфигураций может быть использовано множество акустических датчиков для определения расхода текучей среды 14 внутри емкости 12, в частности емкости 12, выполненной или предназначенной для транспортировки текучей среды 14, такой как труба, трубопровод или аналогичная емкость 12 для транспортировки текучей среды. Аналогично конфигурации, описанной применительно к фиг. 1, точные значения расхода могут определяться весом текучей среды. На фиг. 2 представлена система 10 для определения расхода при некотором количестве текучей среды внутри трубы 60, согласно первому приведенному для примера варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения. В сущности, на фиг. 2 представлена система 10 с трубой 60, представляющей собой емкость, которая заключает в себе и транспортирует указанное количество текучей среды 66. Первый акустический датчик 22 размещен вдоль стенки 16 трубы 60 или в аналогичном месте, например, по существу, на стенке 16 трубы 60. Второй акустический датчик 32 размещен вдоль трубы 60 на заданном или известном расстоянии от первого датчика 22. С использованием показаний первого акустического датчика 22 и второго акустического датчика 32 может быть определена разность значений времени пролета или выполнено аналогичное вычисление для текучей среды 66 в трубе 60. Разность значений времени пролета может затем быть использована для определения скорости потока текучей среды 66.In one of a variety of alternative configurations, a plurality of acoustic sensors may be used to determine the flow rate of fluid 14 within a container 12, in particular a container 12 made or intended to transport fluid 14, such as a pipe, pipeline, or similar container 12 for transporting fluid. Similar to the configuration described with respect to FIG. 1, the exact flow rates may be determined by the weight of the fluid. In FIG. 2 shows a system 10 for determining the flow rate of a certain amount of fluid inside the pipe 60, according to the first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention. In essence, in FIG. 2 shows a system 10 with a tube 60, which is a container that contains and transports the specified amount of fluid 66. The first acoustic sensor 22 is located along the wall 16 of the tube 60 or in a similar location, for example, essentially on the wall 16 of the tube 60. The second acoustic sensor 32 is placed along the pipe 60 at a predetermined or known distance from the first sensor 22. Using the readings from the first acoustic sensor 22 and the second acoustic sensor 32, the time-of-flight difference can be determined or a similar calculation made for the fluid 66 in the pipe 60. the time-of-flight values can then be used to determine the fluid flow rate 66.
В одном примере вычисление скорости материала может быть описано следующим образом. Первый акустический датчик 22, т.е. преобразователь, генерирует сигнал, который принимается вторым акустическим датчиком 32 на трубе 60. Время, затрачиваемое на прохождение сигнала от первого акустического датчика 22 до второго акустического датчика 32, известно как время пролета (Time of Flight, ToF). Затем второй акустический датчик 32 генерирует сигнал, который принимается первым акустическим датчиком 22, и разность между двумя значениями ToF определяется как показатель скорости потока материала в трубе 60. На основе расстояния от первого акустического датчика 22 до второго акустического датчика 32 и известной плотности текучей среды 66 в трубе 60 может быть вычислен расход материала.In one example, the material velocity calculation can be described as follows. The first acoustic sensor 22, i. e. the transducer generates a signal that is received by the second acoustic sensor 32 on the pipe 60. The time it takes for the signal to travel from the first acoustic sensor 22 to the second acoustic sensor 32 is known as Time of Flight (ToF). The second sonic sensor 32 then generates a signal that is received by the first sonic sensor 22 and the difference between the two ToF values is determined as an indication of the material flow velocity in the pipe 60. Based on the distance from the first sonic sensor 22 to the second sonic sensor 32 and the known density of the fluid 66 in pipe 60, the material flow rate can be calculated.
Dtr ToF =/Г uspD tr ToF = /Г u sp
Здесь Dtr - расстояние между первым и вторым акустическими датчиками 22, 33, которое, в зависимости от конфигурации, может быть равно диаметру трубы 60 или по меньшей мере расстоянию, которое пройдет сигнал между двумя указанными преобразователями, Usp -скомпенсированная по температуре скорость звука в материале, протекающем через трубу.Here D tr is the distance between the first and second acoustic sensors 22, 33, which, depending on the configuration, can be equal to the diameter of the pipe 60 or at least the distance that the signal will travel between the two indicated transducers, U sp is the temperature-compensated speed of sound in the material flowing through the pipe.
DtrDtr
DtrDtr
ToF1 ToF1
ToF2 ToF2
Здесь Usp1=(Usp-V) и Usp2=(Usp+V), где (V) - скорость материала. Скорость может быть вычислена, когда акустические датчики находятся на одной стороне трубы 60, и в этом случае вычисляется расстоя ние и составляющая скорости с учетом угла пути, по которому проходит сигнал между двумя акустическими датчиками, и задней стенкой трубы.Here Usp 1 =(Usp-V) and Usp 2 =(Usp+V), where (V) is the speed of the material. The velocity can be calculated when the acoustic sensors are on one side of the pipe 60, in which case the distance and the velocity component are calculated taking into account the angle of the signal path between the two acoustic sensors and the rear wall of the pipe.
ΔToF=(ToF2 -ToF1) представляет собой разность между значениями времени ToF1 и ToF2 ΙΔΤοΡ = Dtr _ Dtr — Dtr__Dtr ΔToF=(ToF 2 -ToF 1 ) is the difference between the times ToF 1 and ToF 2 ΙΔΤοΡ = Dtr _ Dtr — Dtr __ Dtr
Ursp U2 Sp (Usp~D (Usp+V)U r sp U 2 S p (Usp~D (Usp+V)
Путем преобразования вышеуказанного уравнения может быть определена стоящая в скобках скорость V материала в трубопроводе по нижеследующей формуле:By converting the above equation, the parenthesized velocity V of the material in the pipeline can be determined using the following formula:
V = AToFV=AToF
2*Dtr2*Dtr
Следует отметить, что указанная разность значений времени пролета может быть вычислена двунаправленным образом и/или однонаправленным образом. При двунаправленном вычислении разность значений времени пролета в текучей среде 66 может быть вычислена на основе показаний первого и второго акустических датчиков 22, 32 в двух направлениях трубы 60, например в обоих из линейного прямого и линейного обратного направлений вдоль потока в трубе 60. При однонаправленном вычислении разность значений времени пролета может быть вычислена путем измерения времени пролета в одном направлении трубы 60 и его сравнения с подставляемым или расчетным временем пролета, основанным на скорости акустической волны в текучей среде в стационарном состоянии. В отличие от непосредственного измерения, подставляемое значение для текучей среды в стационарном состоянии может быть получено с использованием результата идентификации текучего материала 66 и температуры для вычисления или нахождения в справочной таблице подставляемого времени пролета на основе скорости волны. Затем на основе указанной скорости волны и расстояния между двумя акустическими датчиками 22,It should be noted that said time-of-flight difference can be calculated in a bi-directional manner and/or in a uni-directional manner. In a bi-directional calculation, the time-of-flight difference in fluid 66 may be calculated based on the readings of the first and second acoustic sensors 22, 32 in two directions of the conduit 60, such as in both of the linear forward and linear reverse directions along the flow in the conduit 60. In a unidirectional calculation the time-of-flight difference can be calculated by measuring the time-of-flight in one direction of pipe 60 and comparing it to a dummy or calculated time-of-flight based on the steady state acoustic wave velocity in the fluid. As opposed to a direct measurement, a steady state fluid substitution value can be obtained using the fluid identification result 66 and temperature to calculate or look up a time-of-flight substitution based on wave velocity. Then, based on the specified wave speed and the distance between the two acoustic sensors 22,
- 5 042711 получают расчетное время пролета в стационарном состоянии. Таким образом, время пролета в одном направлении может быть эффективно сравнено с ожидаемой акустической волной через текучую среду при ее нахождении в статическом или неподвижном состоянии внутри трубы 60.- 5 042711 receive the estimated time of flight in the stationary state. Thus, the time of flight in one direction can be effectively compared to the expected acoustic wave through the fluid when it is in a static or stationary state inside the tube 60.
Вместе с трубой 60 размещен датчик 42 температуры, который измеряет температуру текучей среды 66. Хотя может быть использован датчик 42 температуры, находящийся в физическом контакте с трубой 60, температура текучей среды 66 в трубе 60 может также определяться альтернативными способами, включая датчики температуры, которые необязательно должны находиться в контакте с текучей средой 66 или трубой 60. Могут быть использованы датчики 42 температуры всех типов, включая инфракрасные датчики температуры, термисторы, другие датчики температуры или любую их комбинацию.Arranged with conduit 60 is a temperature sensor 42 that measures the temperature of fluid 66. Although a temperature sensor 42 in physical contact with conduit 60 may be used, the temperature of fluid 66 in conduit 60 may also be determined by alternative means, including temperature sensors that need not be in contact with fluid 66 or pipe 60. All types of temperature sensors 42 may be used, including infrared temperature sensors, thermistors, other temperature sensors, or any combination thereof.
В дополнение, в течение определенных временных интервалов могут выполняться многочисленные вычисления, которые могут быть использованы для определения расхода текучей среды 66 во время флуктуаций текущего расхода при измерении в течение более длительных временных интервалов. В простом примере прямая труба с радиусом 2 фута содержит известное дизельное топливо (плотность 53 фунта/куб.фут при 15°C), протекающее с расходом 3 фута/с. Площадь сечения трубы равна 12,5 кв.фута, что дает объемный расход 37,5 куб.фута/с. Умножение объемного расхода на плотность дает значение 1,988 фунта/с весового расхода дизельного топлива, протекающего в трубе. Если при следующем измерении скорость изменится до 3,5 фута/с, то весовой расход дизельного топлива, протекающего по трубе, повысится до 2,319 фунта/с. Эти вычисления могут выполняться через определенные временные интервалы для идентификации изменений или флуктуаций между этими временными интервалами, которые, в свою очередь, могут быть использованы для определения значений расхода в течение более длительного периода времени.In addition, multiple calculations can be performed over certain time intervals, which can be used to determine the flow rate of fluid 66 during current flow fluctuations when measured over longer time intervals. In a simple example, a straight pipe with a radius of 2 feet contains known diesel fuel (density 53 lb/cu.ft. at 15°C) flowing at a rate of 3 ft/s. The area of the pipe is 12.5 sq. ft., which gives a volume flow of 37.5 cu. ft./s. Multiplying the volume flow by the density gives a value of 1.988 lb/s of the weight flow of diesel fuel flowing in the pipe. If the velocity changes to 3.5 ft/s on the next measurement, then the weight flow rate of diesel fuel flowing through the pipe will increase to 2.319 lb/s. These calculations can be performed at specific time intervals to identify changes or fluctuations between these time intervals, which in turn can be used to determine flow rates over a longer period of time.
Эти измерения весового расхода могут быть проведены периодически, с периодом от нескольких секунд до часа, или с любым другим периодом времени. Изменения указанного весового расхода в течение более продолжительного периода времени, когда измеряется изменяющееся количество текучей среды 66, протекающей по трубе 60, обеспечивают точное нормированное вычисление весового расхода материала. На основе этой информации обеспечивается возможность высокоточной и стандартизованной идентификации значений объемного расхода текучей среды, например галлонов в час и т.д., и значений весового расхода текучей среды, например фунтов в час и т.д.These weight flow measurements can be taken periodically, with a period of several seconds to an hour, or with any other period of time. Changes in said weight flow rate over a longer period of time when the changing amount of fluid 66 flowing through conduit 60 is measured provide an accurate standardized calculation of the material weight flow rate. Based on this information, fluid volume flow rates, such as gallons per hour, etc., and fluid weight flow rates, such as pounds per hour, etc., can be highly accurate and standardized.
Кроме того, система 10 может быть использована для определения температуры текучей среды, идентификации текучей среды и получения конкретной информации о плотности и весе текучей среды 66 в реальном времени или, по существу, в реальном времени, что обеспечивает существенное улучшение по сравнению с другими измерительными устройствами, которые не работают в реальном времени. Также следует отметить, что система 10 может быть реализована на трубе 60 без проникновения. Необходимо лишь прикрепление первого и второго акустических датчиков 22, 32 к наружной поверхности трубы 60, а датчик 42 температуры может быть размещен в любом удобном месте для измерения температуры. Трубу 60 не требуется опорожнять или иным образом открывать для конфигурирования системы 10.In addition, the system 10 can be used to determine the temperature of the fluid, identify the fluid, and obtain specific information about the density and weight of the fluid 66 in real time, or essentially in real time, which provides a significant improvement over other measurement devices. which do not work in real time. It should also be noted that system 10 can be implemented on pipe 60 without penetration. It is only necessary to attach the first and second acoustic sensors 22, 32 to the outer surface of the pipe 60, and the temperature sensor 42 can be placed in any convenient place to measure the temperature. Pipe 60 does not need to be emptied or otherwise opened to configure system 10.
Результаты вычислений, выполненных системой 10, могут быть обработаны компьютеризированным устройством 50, сообщающимся с акустическим датчиком 20, который производит идентификацию текучего материала, и с другими акустическими датчиками 22, 32, а также с датчиком 42 температуры. Для определения весового расхода текучей среды 66 процессор компьютеризированного устройства 50 может вычислять весовой расход текучей среды 66 через заданные временные интервалы на основе измеренного и определенного объемного расхода и плотности текучей среды. Компьютеризированное устройство 50 может принимать информацию, полученную в результате измерения, в виде сигналов 52 от датчиков, которые могут передаваться с помощью проводной связи, беспроводной связи или любой их комбинации. Компьютеризированное устройство 50 может представлять собой удерживаемое в руке вычислительное устройство, такое как планшетный компьютер, смартфон, считыватель, ноутбук, стационарное вычислительное устройство, какое-либо другое электронное устройство или сервис, способные принимать сигналы и вычислять точки данных с использованием алгоритмов и обработки. Компьютеризированное устройство 50 может содержать дисплейный экран или графический пользовательский интерфейс, которые предоставляют соответствующую информацию пользователю-человеку, или оно может быть соединено с другим вычислительным устройством через сеть связи, Интернет или облачный сервис для передачи соответствующей информации в какое-либо другое место.The results of the calculations performed by the system 10 can be processed by a computerized device 50 communicating with an acoustic sensor 20 that performs the identification of the fluid material, and with other acoustic sensors 22, 32, as well as with a temperature sensor 42. To determine the weight flow rate of fluid 66, the processor of computerized device 50 may calculate the weight flow rate of fluid 66 at predetermined time intervals based on the measured and determined volume flow rate and density of the fluid. The computerized device 50 may receive the measurement information in the form of sensor signals 52, which may be transmitted via wired communication, wireless communication, or any combination thereof. Computerized device 50 may be a hand held computing device such as a tablet computer, smartphone, reader, laptop, desktop computing device, some other electronic device or service capable of receiving signals and computing data points using algorithms and processing. The computerized device 50 may include a display screen or graphical user interface that provides relevant information to a human user, or it may be connected to another computing device via a communications network, the Internet, or a cloud service to transfer the relevant information to some other location.
Система 10, описанная со ссылкой на фиг. 1, 2, может иметь различные варианты применения в различных промышленных отраслях и условиях. Они могут включать применение в химической промышленности или в промышленности, связанной с ископаемым топливом, для определения типа материала на основе веса и/или для определения расхода этого материала внутри емкости или трубы. Система также может найти применение при анализе окружающей среды, в рекреационных объектах, таких как бассейны, или в других условиях. Одним из конкретных вариантов применения системы 10 является ее применение с блоками для впрыска, используемыми в промышленности, связанной с ископаемым топливом. Блок для впрыска может быть использован для впрыска некоторого количества текучих химических добавок в нефтепровод для защиты труб нефтепровода от коррозии или с другой целью. Количество впрыскиваемого химического вещества может быть небольшим по сравнению с относительным объемомSystem 10 described with reference to FIG. 1, 2 may have various applications in various industries and conditions. These may include applications in the chemical or fossil fuel industries to determine the type of material based on weight and/or to determine the flow rate of that material within a vessel or pipe. The system can also find application in environmental analysis, recreational facilities such as swimming pools, or other settings. One particular application of the system 10 is for use with injection units used in the fossil fuel industry. An injection unit may be used to inject a quantity of fluid chemical additives into an oil pipeline to protect oil pipeline pipes from corrosion or for other purposes. The amount of chemical injected may be small compared to the relative volume
- 6 042711 нефти в трубе, но зачастую критичным является впрыск надлежащего количества. Таким образом, необходимо знать точный расход текучего химического вещества при его впрыске в трубопровод.- 6 042711 oil in the pipe, but it is often critical to inject the right amount. Thus, it is necessary to know the exact flow rate of a fluid chemical when it is injected into a pipeline.
На фиг. 3A представлена иллюстрация системы для определения веса некоторого количества текучей среды 14A для измерения расхода указанного количества текучей среды 14A, подлежащего впрыску в трубу 60 с использованием системы впрыска, согласно второму приведенному для примера варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения. На фиг. 3B представлено изображение системы впрыска, использующей систему 10, согласно второму приведенному для примера варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения. Фиг. 3A иллюстрирует систему 10, изображенную на фиг. 1 и описанную применительно к нему, которая имеет емкость 12, заключающую в себе указанное количество текучей среды 14A. Вдоль боковой стенки 16 сосуда 12 размещен первый акустический датчик 20, который идентифицирует текучий материал. Вдоль нижней стенки 18 сосуда 12 размещен второй акустический датчик 30, измеряющий уровень заполнения указанным количеством текучей среды 14A емкости 12. Вблизи емкости 12 размещен датчик 40 температуры, определяющий температуру указанного количества текучей среды 14A.In FIG. 3A is an illustration of a system for determining the weight of an amount of fluid 14A to measure the flow rate of said amount of fluid 14A to be injected into conduit 60 using an injection system, according to a second exemplary embodiment of the disclosure of the present invention. In FIG. 3B is a view of an injection system using system 10 according to a second exemplary embodiment of the disclosure of the present invention. Fig. 3A illustrates the system 10 shown in FIG. 1 and described therein, which has a container 12 containing the indicated amount of fluid 14A. Along the side wall 16 of the vessel 12 is placed the first acoustic sensor 20, which identifies the flowing material. Along the bottom wall 18 of the vessel 12 is a second acoustic sensor 30 that measures the fill level of the specified amount of fluid 14A of the container 12. Near the container 12 is a temperature sensor 40 that detects the temperature of the specified amount of fluid 14A.
Как показано на фиг. 3A, указанное количество текучей среды 14A, которая в данном примере представляет собой текучее химическое вещество, может быть помещено в емкость 12, которая соединена с трубопроводом 60 через сеть труб 62, причем текучее химическое вещество 14A перекачивается из емкости 12 с помощью насоса 64 для текучей среды. Трубопровод 60 может содержать некоторое количество другой текучей среды 66, такой как ископаемое топливо или другая текучая среда, в зависимости от конструкции и области применения трубопровода. Система 10 может быть использована различными способами для точного впрыска текучего химического вещества 14A в трубу 60. Например, как было указано со ссылкой на фиг. 1, первый акустический датчик 20 может определять тип материала текучего химического вещества 14A в емкости 12, в то время как второй акустический датчик 30 может определять уровень заполнения текучим химическим веществом 14A. При распределении текучего химического вещества 14A по трубам 62 и насосу 64, компьютеризированное устройство 50 может выполнять вычисления, результаты которых в виде сигналов 52 передаются через различные периоды времени или интервалы для определения уровня заполнения через каждый период времени. Эти результаты вычислений затем могут быть использованы для определения расхода текучего химического вещества 14A из емкости 12, который, в свою очередь, может быть использован для управления насосом 64 для впрыска текучего химического вещества 14A в трубу 60 с требуемой скоростью.As shown in FIG. 3A, a specified amount of fluid 14A, which in this example is a fluid chemical, may be placed in a container 12 that is connected to conduit 60 via a network of pipes 62, fluid chemical 14A being pumped out of container 12 by fluid pump 64. environment. The pipeline 60 may contain some other fluid 66, such as fossil fuel or other fluid, depending on the design and application of the pipeline. System 10 can be used in a variety of ways to accurately inject fluid chemical 14A into conduit 60. For example, as discussed with reference to FIG. 1, the first acoustic sensor 20 can detect the material type of the chemical fluid 14A in the container 12, while the second acoustic sensor 30 can detect the filling level of the chemical fluid 14A. As fluid chemical 14A is distributed to pipes 62 and pump 64, computerized device 50 may perform calculations that are transmitted as signals 52 at various time periods or intervals to determine the fill level at each time period. These calculation results can then be used to determine the flow rate of fluid chemical 14A from container 12, which in turn can be used to control pump 64 to inject fluid chemical 14A into conduit 60 at the desired rate.
Еще в одном примере акустические датчики 20, 22 и 32, размещенные на трубе 60 или вблизи от нее, могут быть использованы для определения расхода текучей среды 66 через трубу 60 с использованием метода, описанного выше со ссылкой на фиг. 1-2, например с использованием акустического датчика 20, который производит идентификацию текучей среды, и с использованием первого и второго акустических датчиков 22, 32, которые используются для определения расхода, наряду с датчиком 42 температуры. Когда расход текучей среды 66 через трубу 60 определен, система 10 может управлять насосом 64 для впрыска части текучего химического вещества 14A, проходящего из емкости 12 в трубу 60. Если расход текучей среды 66 в трубе 60 изменяется или колеблется, то система 10 может быть способна регулировать расход текучего химического вещества 14A, проходящего из указанной емкости по трубам 62 в трубу 60, таким образом осуществляя точное управление измерением расхода текучего химического вещества 14A, поступающего в трубу 60. Таким образом, система имеет возможность динамического управления впрыском текучего химического вещества 14A в трубу 60, чтобы гарантировать впрыск требуемого количества текучего химического вещества 14A, несмотря на флуктуации расхода текучей среды 66 внутри трубы 60.In yet another example, acoustic sensors 20, 22, and 32 placed on or near conduit 60 may be used to determine the flow of fluid 66 through conduit 60 using the method described above with reference to FIG. 1-2, for example using an acoustic sensor 20 which performs fluid identification and using first and second acoustic sensors 22, 32 which are used to determine the flow along with a temperature sensor 42. When the flow rate of fluid 66 through conduit 60 is determined, system 10 may operate pump 64 to inject a portion of fluid chemical 14A passing from container 12 into conduit 60. If the flow rate of fluid 66 in conduit 60 changes or fluctuates, then system 10 may be able to control the flow rate of the fluid chemical 14A passing from said container through the pipes 62 into the pipe 60, thus accurately controlling the measurement of the flow rate of the fluid chemical 14A entering the pipe 60. The system is thus capable of dynamically controlling the injection of the fluid chemical 14A into the pipe 60 to ensure that the correct amount of fluid chemical 14A is injected despite fluctuations in the flow rate of fluid 66 within pipe 60.
В третьем примере могут быть определены значения расхода текучей среды 14A внутри емкости 12 или внутри трубы 62 и значение расхода текучей среды 66 внутри трубы 60, так что обеспечивается возможность динамического управления насосом для непрерывного регулирования скорости впрыска текучего химического вещества 14A в трубу 60 и возможность мониторинга уровня текучего химического вещества 14A, чтобы гарантировать, что оно не будет случайно израсходовано. Любая комбинация данных примеров может быть использована для определения значений расхода текучих сред 14A, 66 или другого управления дозирующим устройством, таким как насос 64, для впрыска или транспортировки одной текучей среды в другую.In a third example, the flow rates of fluid 14A inside vessel 12 or inside pipe 62 and the flow rate of fluid 66 inside pipe 60 can be determined so that dynamic pump control is possible to continuously control the rate of injection of fluid chemical 14A into pipe 60 and monitor fluid chemical level 14A to ensure that it is not accidentally consumed. Any combination of these examples can be used to determine flow rates for fluids 14A, 66 or otherwise control a metering device such as pump 64 to inject or transport one fluid into another.
Аналогично фиг. 1, 2, результаты вычислений по фиг. 3A, выполненных системой 10, могут быть обработаны одним или более компьютеризированными устройствами 50, сообщающимися с акустическим датчиком 20, который производит идентификацию текучего материала либо в емкости 12, либо в трубе 60, с акустическим датчиком 30, который определяет уровень заполнения текучей средой 14A емкости 12, и с другими акустическими датчиками 22, 32, которые определяют расход в трубе, а также с датчиками 40, 42 температуры. Хотя на фиг. 3A показаны два компьютеризированных устройства 50, может быть использовано любое количество компьютеризированных устройств 50. Указанные одно или более компьютеризированных устройств 50 могут принимать информацию, полученную в результате измерений, в виде сигналов 52 от датчиков, которые могут передаваться с помощью проводной связи, беспроводной связи или любой их комбинации. Указанные одно или более компьютеризированных уст- 7 042711 ройств 50 могут представлять собой удерживаемые в руке вычислительные устройства, такие как планшетный компьютер, смартфон, считыватель, ноутбук, стационарное вычислительное устройство, какоелибо другое электронное устройство или сервис, способные принимать сигналы и вычислять точки данных с использованием алгоритмов и обработки. Указанные одно или более компьютеризированных устройств 50 могут содержать дисплейный экран или графический пользовательский интерфейс, которые предоставляют соответствующую информацию пользователю-человеку, или они могут быть соединены с другим вычислительным устройством через сеть связи, Интернет или облачный сервис для передачи соответствующей информации в какое-либо другое место.Similarly to FIG. 1, 2, the results of the calculations according to FIG. 3A performed by the system 10 may be processed by one or more computerized devices 50 in communication with an acoustic sensor 20 that identifies the fluid material either in the container 12 or in the pipe 60, with an acoustic sensor 30 that determines the fluid level 14A of the container. 12 and with other acoustic sensors 22, 32 that detect the flow in the pipe, as well as with temperature sensors 40, 42. Although in FIG. 3A shows two computerized devices 50, any number of computerized devices 50 may be used. Said one or more computerized devices 50 may receive measurement information in the form of sensor signals 52, which may be transmitted via wired, wireless, or any combination of them. Said one or more computerized devices 50 may be hand-held computing devices such as a tablet computer, smartphone, reader, laptop, desktop computing device, some other electronic device or service capable of receiving signals and calculating data points from using algorithms and processing. The one or more computerized devices 50 may include a display screen or graphical user interface that provides relevant information to a human user, or they may be connected to another computing device via a communications network, the Internet, or a cloud service to transmit the relevant information to some other place.
Одно из многих преимуществ системы 10 состоит в том, что она может быть использована в существующей инфраструктуре, относящейся к текучей среде, без значительных изменений. Например, как показано на фиг. 3B, блок для впрыска, установленный на салазках, может быть использован в удаленном месте, где осуществляется хранение нефти и/или ее подача по подземной трубе 60. В местах такого типа зачастую невозможно получить доступ к трубе 60 (показанной пунктирными линиями), поскольку она заглублена или иным образом не является легкодоступной. Блок впрыска, установленный на салазках, может быть размещен над трубой 60 таким образом, что химическая добавка может впрыскиваться в соответствующем месте вдоль трубопровода. Источник электропитания может отсутствовать в этом удаленном месте, поэтому для питания насоса 64, который управляет впрыском текучего химического вещества в трубу 60, могут быть использованы источник 70 на основе солнечной энергии и батарея 72. Система 10 имеет низкие требования к питанию, которые могут быть легко выполнены с помощью существующих источников на основе солнечной энергии на блоках для впрыска. В дополнение, датчики системы 10 могут быть легко встроены в существующие жидкостные емкости блоков для впрыска либо путем модернизации, либо при исходном изготовлении. Разумеется, следует отметить, что система 10 может быть использована и с другими емкостями для нефтяных текучих сред, включая танкеры, цистерны и т.д.One of the many advantages of system 10 is that it can be used in existing fluid infrastructure without major modifications. For example, as shown in FIG. 3B, a skid-mounted injection unit may be used in a remote location where oil is stored and/or supplied through underground pipe 60. buried or otherwise not easily accessible. A skid-mounted injection unit may be positioned above conduit 60 such that a chemical additive can be injected at an appropriate location along the conduit. A power source may not be available at this remote location, so a solar power source 70 and battery 72 can be used to power pump 64 that controls fluid chemical injection into conduit 60. System 10 has low power requirements that can be easily performed using existing solar energy sources on injection units. In addition, the sensors of the system 10 can be easily integrated into the existing liquid reservoirs of the injection units, either through retrofit or original manufacturing. Of course, it should be noted that the system 10 may be used with other petroleum fluid containers, including tankers, tanks, and the like.
Раскрытие настоящего изобретения также способно обеспечить преимущества с точки зрения мониторинга расхода текучей среды в ситуациях, когда расход текучей среды через трубу изменяется. На фиг. 4A представлена иллюстрация системы для обнаружения изменений расхода для некоторого количества текучей среды 14 из емкости 12 согласно первому приведенному для примера варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения. На фиг. 4B представлена иллюстрация системы для обнаружения изменений расхода для некоторого количества текучей среды 66 в трубе 60 согласно первому приведенному для примера варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения. Как показано на обоих фиг. 4A-4B, система 10 может быть выполнена в виде по существу цельного измерительного устройства, которое выполнено с возможностью размещения вокруг впускной или выпускной трубы 12A емкости 12 (фиг. 4A) или вокруг трубы 60 трубопровода или другой системы подачи текучей среды (фиг. 4B) для мониторинга движения текучей среды. После обнаружения любого движения текучей среды 14, 66 система 10 будет измерять значения расхода. При необходимости, система 10 может также идентифицировать тип текучего материала, так что обеспечивается возможность определения полных данных о всех значениях расхода текучих сред 14, 66 по объему и весу, а также фактического типа материала. Согласно обоим фиг. 4A-4B, если текучая среда 14, 66 не течет в трубе 12A, 60, то система 10 может периодически опрашивать первый и второй акустические датчики 22 и 32 для определения момента начала протекания потока текучей среды. При необходимости, система 10 может быть запрограммирована на опрос для определения момента окончания протекания потока текучей среды 14, 66. Также может быть обеспечено обратное действие, состоящее в том, что при протекании потока в трубе 12A, 60 система 10 определяет момент окончания протекания. Благодаря способности системы 10 определять моменты начала и окончания протекания потока текучей среды 14, 66, обеспечивается дополнительная точность измерения веса текучей среды, проходящей по трубе 12A, 60. Дополнительно следует отметить, что система 10 может быть способна осуществлять двунаправленное определение расхода, балансировку массы емкости и итоговое суммирование в обоих направлениях потока.The disclosure of the present invention is also capable of providing advantages in terms of fluid flow monitoring in situations where fluid flow through a pipe changes. In FIG. 4A is an illustration of a system for detecting flow rate changes for an amount of fluid 14 from a container 12 according to a first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention. In FIG. 4B is an illustration of a system for detecting changes in flow rate for some fluid 66 in conduit 60 according to a first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention. As shown in both Figs. 4A-4B, system 10 may be implemented as a substantially one-piece metering device that is configured to be placed around inlet or outlet pipe 12A of vessel 12 (FIG. 4A) or around pipe 60 of a conduit or other fluid supply system (FIG. 4B). ) to monitor fluid movement. Upon detection of any movement of fluid 14, 66, system 10 will measure flow rates. Optionally, system 10 can also identify the type of fluid material so that complete data on all flow rates of fluids 14, 66 by volume and weight, as well as the actual type of material, can be determined. According to both Figs. 4A-4B, if fluid 14, 66 is not flowing in conduit 12A, 60, then system 10 may periodically interrogate first and second acoustic sensors 22 and 32 to determine when fluid flow begins to flow. Optionally, system 10 can be programmed to interrogate to determine when fluid flow 14, 66 has ended. The reverse action can also be provided in that when flow is flowing in conduit 12A, 60, system 10 determines when flow has ended. The ability of system 10 to determine when fluid flow 14, 66 starts and stops flowing provides additional accuracy in measuring the weight of fluid passing through conduit 12A, 60. Additionally, system 10 may be capable of bi-directional flow detection, container mass balancing. and final summation in both flow directions.
Как можно понять, описанная в данном документе система 10 и соответствующие устройства и способы способны обеспечивать существенные преимущества с точки зрения измерения значений расхода текучих сред. Одно из этих преимуществ состоит в том, что система может быть использована для точного измерения величины подачи текучей среды в резервуары, контейнеры или емкости или из них для обеспечения точного итогового перемещения продукта. Система 10 может также быть использована для точной подготовки документации на передачу текучих материалов между третьими сторонами. Система 10 также может быть использована для точной идентификации утечек жидкого материала из резервуара, контейнера или емкости, а также для точного мониторинга запасов жидких материалов, хранящихся в резервуаре, контейнере или емкости.As can be appreciated, the system 10 described herein and associated devices and methods are capable of providing significant benefits in terms of measuring fluid flow rates. One of these advantages is that the system can be used to accurately measure the amount of fluid flow into or out of tanks, containers or containers to provide accurate net product movement. The system 10 can also be used to accurately document transfers of fluid materials between third parties. The system 10 can also be used to accurately identify leaks of liquid material from a tank, container, or container, and to accurately monitor the inventory of liquid materials stored in a tank, container, or tank.
На фиг. 5A представлена блок-схема 100, иллюстрирующая способ измерения текучей среды согласно первому приведенному для примера варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения. Следует отметить, что любые описания процессов или блоки на блок-схемах должны пониматься как представляющие модули, сегменты, части кода или этапы, которые включают в себя одну или более инструкций для реализации определенных логических функций в процессе, и в объем раскрытия настоящего изобретения включены альтернативные варианты реализации, в которых функции могут выполнятьсяIn FIG. 5A is a flowchart 100 illustrating a fluid measurement method according to a first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention. It should be noted that any process descriptions or block diagrams should be understood to represent modules, segments, pieces of code, or steps that include one or more instructions for implementing certain logical functions in a process, and alternatives are included within the scope of this disclosure. implementation options in which functions can be executed
- 8 042711 не в том порядке, в котором они показаны или описаны, включая, по существу, одновременное выполнение или выполнение в обратном порядке, в зависимости от задействованных функциональных возможностей, как должно быть понятно специалистам в области техники, к которой относится раскрытие настоящего изобретения.- 8 042711 not in the order in which they are shown or described, including, in essence, the simultaneous execution or execution in reverse, depending on the functionality involved, as should be clear to experts in the field of technology to which the disclosure of the present invention relates .
Как показано с помощью блока 102, используют акустические параметры и информацию о температуре для идентификации конкретной измеряемой текучей среды. После идентификации и определения температуры текучей среды, используют скорость акустической волны в текучей среде для вычисления уровня текучей среды внутри емкости (блок 104). Определяют объем жидкости с использованием информации об объеме емкости, определяемом ее размерами (блок 106). Определяют плотность текучей среды с использованием температуры и результата идентификации материала (блок 108). Точно определяют вес текучей среды внутри емкости с использованием объема текучей среды и плотности текучей среды (блок 110). Выполняют периодические вычисления веса текучей среды, посредством которых определяют текущие изменения веса текучей среды, и таким образом определяют текущие значения расхода текучей среды, полностью скорректированные для компенсации изменений объема материала (блок 112).As shown by block 102, acoustic parameters and temperature information are used to identify the particular fluid being measured. After identifying and determining the temperature of the fluid, the velocity of the acoustic wave in the fluid is used to calculate the level of the fluid inside the container (block 104). The volume of liquid is determined using information about the volume of the container, determined by its dimensions (block 106). The density of the fluid is determined using the temperature and the material identification result (block 108). Accurately determine the weight of the fluid inside the container using the volume of the fluid and the density of the fluid (block 110). Periodic fluid weight calculations are performed by which current changes in fluid weight are determined, and thus current fluid flow rates are determined, fully adjusted to compensate for changes in material volume (block 112).
На фиг. 5B представлена блок-схема 130 последовательности операций, иллюстрирующая способ измерения текучей среды, согласно первому приведенному для примера варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения. Следует отметить, что любые описания процессов или блоки в блоксхемах должны пониматься как представляющие модули, сегменты, части кода или этапы, которые включают в себя одну или более инструкций для реализации определенных логических функций в процессе, и в объем раскрытия настоящего изобретения включены альтернативные варианты реализации, в которых указанные функции могут выполняться не в том порядке, в котором они показаны или описаны, включая, по существу, одновременное выполнение или выполнение в обратном порядке, в зависимости от задействованных функциональных возможностей, как должно быть понятно специалистам в области техники, к которой относится раскрытие настоящего изобретения.In FIG. 5B is a flowchart 130 illustrating a fluid measurement method according to a first exemplary embodiment of the disclosure of the present invention. It should be noted that any process descriptions or blocks in flowcharts should be understood to represent modules, segments, pieces of code, or steps that include one or more instructions for implementing certain logical functions in a process, and alternative implementations are included within the scope of this disclosure. , in which the specified functions may be performed out of the order in which they are shown or described, including, in essence, the simultaneous execution or execution in reverse, depending on the functionality involved, as should be clear to experts in the field of technology to which relates to the disclosure of the present invention.
Как показано с помощью блока 132, используют акустические параметры и информацию о температуре для идентификации конкретной измеряемой текучей среды. После идентификации и определения температуры текучей среды используют скорость акустического потока в текучей среде для вычисления объемного расхода внутри трубы (блок 134). Объемный расход текучей среды определяют с использованием информации об объеме трубы, определяемом ее размерами, и вычисленного расхода (блок 136). Определяют плотность текучей среды с использованием температуры и результата идентификации материала (блок 138). Точно определяют весовой расход текучей среды внутри трубы с использованием объемного расхода текучей среды и плотности текучей среды (блок 140). Выполняют периодические вычисления массового расхода текучей среды, посредством которых определяют текущие изменения веса текучей среды, и таким образом определяют текущие значения расхода текучей среды, полностью скорректированные для компенсации изменений объема материала (блок 142).As shown by block 132, acoustic parameters and temperature information are used to identify the particular fluid being measured. Once identified and the temperature of the fluid is determined, the acoustic flow velocity in the fluid is used to calculate the volume flow within the pipe (block 134). The volumetric flow rate of the fluid is determined using information about the volume of the pipe, determined by its dimensions, and the calculated flow rate (block 136). The density of the fluid is determined using the temperature and the material identification result (block 138). Accurately determine the weight flow rate of the fluid inside the pipe using the volumetric flow rate of the fluid and the density of the fluid (block 140). Periodic fluid mass flow calculations are performed by which current changes in fluid weight are determined, and thus current fluid flow rates are determined, fully adjusted to compensate for changes in material volume (block 142).
Хотя описание со ссылкой на фиг. 1-5B в первую очередь посвящено определению массы материала и определению расхода материала, аналогичные методы могут быть использованы для определения конструктивных характеристик контейнера или емкости, заключающих в себе текучую среду. На фиг. 6 представлена иллюстрация 200 способа определения конструктивных характеристик емкости по фиг. 1 согласно третьему приведенному для примера варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения. На фиг. 6 представлена иллюстрация 300 комплексных методов обработки сигналов, используемых со способом определения конструктивных характеристик емкости 12 по фиг. 1 согласно третьему приведенному для примера варианту осуществления раскрытия настоящего изобретения.Although the description with reference to FIG. 1-5B is primarily concerned with determining the mass of material and determining the flow rate of material, similar methods can be used to determine the structural characteristics of a container or vessel containing a fluid. In FIG. 6 is an illustration 200 of a method for determining the design characteristics of the container of FIG. 1 according to a third exemplary embodiment of the disclosure of the present invention. In FIG. 6 is an illustration of 300 complex signal processing techniques used with the method for determining the design characteristics of the container 12 of FIG. 1 according to a third exemplary embodiment of the disclosure of the present invention.
Возбуждают нелинейный сверхширокополосный акустический/ультразвуковой сигнал с использованием линейной/прямой/обратной/экспоненциальной частотной модуляции. Помимо измерения абсолютного времени пролета, регистрируют также разность значений времени пролета. Поскольку звуковые волны являются дисперсионными по своей природе, используют дисперсионные характеристики для определения температурных эффектов и локализованного мониторинга конструктивной целостности, который включает в себя, главным образом, обнаружение коррозии, расслоения и трещин. Для достижения высокой точности и надежности принимаемый сигнал (либо от того же самого преобразователя в эхо-импульсном режиме, либо от второго преобразователя в эхо-зеркальном режиме) обрабатывают в системе сбора и обработки данных. Может быть использована комплексная обработка сигналов с использованием множества инструментов обработки сигналов. Некоторыми из ключевых выделенных признаков являются абсолютное время пролета, разность значений времени пролета, фаза, амплитуда и частота.A non-linear ultra-wideband acoustic/ultrasonic signal is excited using linear/direct/inverse/exponential frequency modulation. In addition to measuring the absolute time of flight, the difference in the values of the time of flight is also recorded. Since sound waves are dispersive in nature, dispersive characteristics are used to determine temperature effects and localized monitoring of structural integrity, which includes mainly the detection of corrosion, delamination and cracks. To achieve high accuracy and reliability, the received signal (either from the same transducer in pulse-echo mode or from a second transducer in echo-mirror mode) is processed in the data acquisition and processing system. Complex signal processing can be used using a variety of signal processing tools. Some of the key features highlighted are absolute time-of-flight, time-of-flight difference, phase, amplitude, and frequency.
Со ссылкой на фиг. 1, 6 и 7 в совокупности, способ и система, раскрытые на фиг. 6, могут быть использованы с конструктивными признаками, раскрытыми на фиг. 1, для определения конструктивных характеристик емкости 12. Например, емкость 12 или другой конструктивный контейнер, способный удерживать текучую среду, может быть выполнена из частей, которые являются проводящими и непроводящими. Методы обработки используют нелинейный сверхширокополосный акустический/ультразвуковой сигнал, который возбуждают с использованием линейной/прямой/обратной/экспоненциальной частотной модуляции. Помимо измерения абсолютного времени пролета, регистрируют также разность значений времени пролета. Поскольку звуковые волны явля- 9 042711 ются дисперсионными по своей природе, используют дисперсионные характеристики для определения температурных эффектов и локализованного мониторинга конструктивной целостности самой емкости 12. Это может включать в себя обнаружение коррозии, расслоения и трещин, наряду с другими конструктивными характеристиками, которые желательно контролировать или обнаруживать. Для достижения высокой точности и надежности принимаемый сигнал (либо от того же самого преобразователя в эхоимпульсном режиме, либо от второго преобразователя в эхо-зеркальном режиме) обрабатываются в системе сбора и обработки данных. На фиг. 6 представлены дополнительные подробности относительно возможных методов обработки сигналов, включая более комплексную обработку сигналов с использованием множества инструментов обработки сигналов. Некоторыми из ключевых выделенных признаков являются абсолютное время пролета, разность значений времени пролета, фаза, амплитуда и частота.With reference to FIG. 1, 6 and 7 taken together, the method and system disclosed in FIG. 6 may be used with the design features disclosed in FIG. 1 to determine the structural characteristics of container 12. For example, container 12 or other structural container capable of holding a fluid may be made from parts that are conductive and non-conductive. Processing methods use a non-linear ultra-wideband acoustic/ultrasonic signal that is excited using linear/forward/inverse/exponential frequency modulation. In addition to measuring the absolute time of flight, the difference in the values of the time of flight is also recorded. Since sound waves are dispersive in nature, dispersive characteristics are used to determine temperature effects and localized monitoring of the structural integrity of the vessel 12 itself. This may include the detection of corrosion, delamination, and cracks, along with other design characteristics that it is desirable to control. or discover. To achieve high accuracy and reliability, the received signal (either from the same transducer in pulse-echo mode or from a second transducer in echo-mirror mode) is processed in the data acquisition and processing system. In FIG. 6 provides additional details on possible signal processing techniques, including more complex signal processing using a variety of signal processing tools. Some of the key features highlighted are absolute time-of-flight, time-of-flight difference, phase, amplitude, and frequency.
В качестве рабочего примера, было изучено использование ультразвуковых направляемых волн для обнаружения повреждений в трубах. Как правило, продольные (осесимметричные) режимы возбуждаются и обнаруживаются с помощью преобразователей на PZT (цирконат-титанате свинца) в режиме передачи для этой цели. В большинстве исследований изучалось изменение интенсивности принимаемого сигнала в зависимости от степени повреждения, в то время как в настоящем исследовании изучается изменение фазы, времени пролета (time-of-flight, TOF) и разности значений времени пролета распространяющихся волновых мод в зависимости от размера повреждения. Метод взаимной корреляции используется для регистрации небольших изменений TOF по мере изменения размера повреждения в стальных трубах. Вычисляют дисперсионные кривые для тщательной идентификации распространяющихся волновых мод. Регистрируют и сравнивают значения разности TOF для различных распространяющихся волновых мод. Используют методы выделения признаков для выделения фазовой и частотно-временной информации. Основное преимущество данного подхода состоит в том, что, в отличие от регистрируемой интенсивности сигнала, на выделяемые TOF и фазу не влияют условия связи между преобразователем и трубой. Следовательно, если труба не повреждена, но связь между преобразователем и трубой ухудшилась, то даже при изменении интенсивности принимаемого сигнала TOF и фаза остаются прежними, что предотвращает ложную положительную сигнализацию о повреждении. Цель состоит не только в обнаружении повреждения, но и в его количественном определении или, иначе говоря, в оценке размера повреждения. Переходные сигналы для труб в идеальном состоянии и поврежденных труб обрабатывались с использованием быстрого Фурье-преобразования (Fast Fourier Transform, FFT), преобразования на основе распределения Вигнера-Вилля (Wigner-Ville Distribution Transform, WVDT), S-преобразования (ST) и преобразования Гильберта-Хуанга (Hilbert Huang Transform, HHT). Было продемонстрировано, что время пролета чувствительно к размеру повреждения на стенке трубы. Мгновенная фаза, выделенная с помощью HHT, также может быть использована для обнаружения повреждения. Для оценки размера повреждения должен отслеживаться фазовый сдвиг, связанный с модой L(0,1), после отделения моды L(0,1) от моды L(0,2) с учетом соответствующего функционального вклада собственных мод. FFT, S-преобразование и WVD-преобразование не показали какого-либо значительного и устойчивого сдвига частоты и амплитуды распространяющихся волн для повреждения диаметром 1,6 мм. Однако заметное изменение амплитуды распространяющейся волны наблюдалось для повреждений типа отверстий диаметром 3,25 мм и 6,35 мм. При обследовании трубы непосредственно на месте, падение амплитуды принятого сигнала может быть результатом ухудшения связи между датчиками и трубой. Следовательно, вместо мониторинга интенсивности принимаемого сигнала рекомендуется измерять изменения TOF и фазового сдвига сигнала для обнаружения и мониторинга повреждений на стенке трубы, поскольку эти параметры не подвержены влиянию условий связи между датчиками и трубой. Результаты показывают, что возможно обнаружение и количественное определение дефектов типа отверстий в трубе путем мониторинга изменения TOF и фазовых сдвигов соответствующих направляемых волновых мод.As a working example, the use of ultrasonic guided waves for fault detection in pipes has been studied. Typically, longitudinal (axisymmetric) modes are excited and detected using PZT (lead zirconate titanate) transducers in transmit mode for this purpose. Most studies have studied the change in received signal intensity with the extent of damage, while the present study examines the change in phase, time-of-flight (TOF), and time-of-flight (TOF) difference of propagating wave modes as a function of damage size. The cross-correlation method is used to record small changes in TOF as damage size changes in steel pipes. Dispersion curves are calculated to accurately identify propagating wave modes. The TOF difference values for different propagating wave modes are recorded and compared. Feature extraction methods are used to extract phase and time-frequency information. The main advantage of this approach is that, unlike the detected signal strength, the extracted TOF and phase are not affected by the coupling conditions between the transducer and the pipe. Therefore, if the pipe is not damaged, but the connection between the transducer and the pipe has deteriorated, then even when the received signal strength changes, TOF and phase remain the same, which prevents false positive damage alarms. The goal is not only to detect damage, but also to quantify it, or, in other words, to estimate the size of the damage. Transient signals for pipes in perfect condition and damaged pipes were processed using Fast Fourier Transform (FFT), Wigner-Ville Distribution Transform (WVDT), S-transform (ST) and transform Gilbert-Huang Transform (HHT). It has been demonstrated that the time of flight is sensitive to the size of the damage on the pipe wall. The instantaneous phase extracted with HHT can also be used for fault detection. To estimate the damage size, the phase shift associated with the L(0.1) mode should be monitored after the L(0.1) mode is separated from the L(0.2) mode, taking into account the corresponding functional contribution of the eigenmodes. FFT, S-transform, and WVD-transform did not show any significant and sustained shift in the frequency and amplitude of propagating waves for the 1.6 mm damage. However, a noticeable change in the amplitude of the propagating wave was observed for damages such as holes with a diameter of 3.25 mm and 6.35 mm. When examining a pipe directly on site, a drop in the amplitude of the received signal may be the result of a deterioration in the connection between the sensors and the pipe. Therefore, instead of monitoring the received signal strength, it is recommended to measure changes in TOF and signal phase shift to detect and monitor pipe wall failures, since these parameters are not affected by the communication conditions between the sensors and the pipe. The results show that it is possible to detect and quantify defects such as holes in a pipe by monitoring the change in TOF and the phase shifts of the respective guided wave modes.
Еще в одном примере измерялось изменение TOF вследствие коррозии в арматурных стальных стержнях. Переходные сигналы для образцов без коррозии и с коррозией обрабатывались с использованием FFT, STFT, CWT и ST. Информация TOF была получена с помощью ST и метода взаимной корреляции. Было продемонстрировано, что TOF моды L(0,1) показывает высокую чувствительность к уровню коррозии в стальных стержнях. FFT, STFT, CWT и ST показывают значительные изменения амплитуды распространяющихся волн. Вследствие дисперсионной природы распространяющихся волн, для анализа сигналов лучше использовать ST вместо FFT, STFT и CWT. При более высоких частотах ST дает надежные результаты во временной области, однако некоторая часть информации, связанная с частотой, теряется. Уменьшение амплитуды регистрируемого сигнала может быть вызвано коррозией, а также ухудшением механической связи между датчиками и образцами, однако такое ухудшение связи не влияет на TOF. Следовательно, измерение TOF является более надежным для количественного измерения уровня коррозии. Обнаружено, что мода L(0,1) является очень надежной для обнаружения коррозии и мониторинга ее прогрессирования. Вызванное коррозией изменение TOF, полученное с помощью ST, и перекрестная корреляция хорошо согласуются друг с другом, а также точно соответствуют теоретическим дисперсионным кривым. Вычисленные дисперсионные кривые помогли идентифицировать распространяющуюся направляемую волновую моду, используемую для мониторинга уровня коррозии в арматурных стальных стержнях.In yet another example, the change in TOF due to corrosion in reinforcing steel bars was measured. Transient signals for samples without corrosion and with corrosion were processed using FFT, STFT, CWT and ST. TOF information was obtained using ST and the cross-correlation method. It has been demonstrated that the L(0.1) mode TOF shows high sensitivity to the level of corrosion in steel bars. FFT, STFT, CWT and ST show significant changes in the amplitude of propagating waves. Due to the dispersive nature of propagating waves, it is better to use ST instead of FFT, STFT and CWT for signal analysis. At higher frequencies, the ST gives reliable results in the time domain, but some of the frequency-related information is lost. A decrease in the amplitude of the recorded signal can be caused by corrosion, as well as deterioration of the mechanical connection between the sensors and samples, however, this deterioration of the connection does not affect TOF. Therefore, the TOF measurement is more reliable for quantitatively measuring the level of corrosion. The L(0.1) mode has been found to be very reliable for detecting corrosion and monitoring its progression. The corrosion-induced change in TOF obtained with ST and the cross-correlation are in good agreement with each other and also closely match the theoretical dispersion curves. The calculated dispersion curves helped to identify the propagating guided wave mode used to monitor the level of corrosion in reinforcing steel bars.
--
Claims (13)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/855,514 | 2019-05-31 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA042711B1 true EA042711B1 (en) | 2023-03-17 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2022205190B2 (en) | Non-linear ultrasound method and apparatus for quantitative detection of materials (liquids, gas, plasma) | |
| US11231311B2 (en) | Non-linear ultrasound method and apparatus for quantitative detection of materials | |
| US10267663B2 (en) | Mass flow measurement apparatus and method | |
| US6650280B2 (en) | Measurement system and method | |
| AU2009223306B2 (en) | Flow and pipe management using velocity profile measurement and/or pipe wall thickness and wear monitoring | |
| US9360309B2 (en) | Method and apparatus for monitoring of component housing wall thickness and wear monitoring | |
| EP2769185B1 (en) | Method and apparatus for providing real time air measurement applications in wet concrete | |
| WO2008084182A1 (en) | Sensor system for pipe and flow condition monitoring of a pipeline configured for flowing hydrocarbon mixtures | |
| US20190072524A1 (en) | Speed of sound and/or density measurement using acoustic impedance | |
| US10088454B2 (en) | Speed of sound and/or density measurement using acoustic impedance | |
| KR101173636B1 (en) | A leak measuring system of fluid material pipeline using press wave and method thereof | |
| EA042711B1 (en) | NONLINEAR ULTRASONIC METHOD AND DEVICE FOR QUANTITATIVE DETERMINATION OF MATERIALS (LIQUIDS, GAS, PLASMA) | |
| AU2022204222B2 (en) | Non-linear ultrasound method and apparatus for quantitative detection of materials | |
| KR101379934B1 (en) | Apparatus and method for measuring the thickness of the scale in a pipe | |
| BR102021024538A2 (en) | NON-LINEAR ULTRASOUND METHOD AND APPARATUS FOR QUANTIVATIVE DETECTION OF MATERIALS (LIQUIDS, GAS, PLASMA) | |
| US9977007B2 (en) | Bubble size determination based on bubble stiffness | |
| WO2013188620A2 (en) | Bubble size determination based on bubble stiffness | |
| RU66030U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING FLOW, DENSITY AND VISCOSITY OF OIL PRODUCTS | |
| CN117888840A (en) | Method and device for monitoring overflow and leakage of drilling fluid in drilling process | |
| Arndt et al. | Measurement System and Method |