MX2010011216A - Medidor ultrasonico de tiempo de transito de cordales da agujero interior liso y metodo. - Google Patents

Abstract

Un aparato para analizar el flujo de un fluido en una tubería incluye un medidor de flujo ultrasónico que tiene una pluralidad de transductores. El aparato incluye un elemento de flujo que tiene a un agujero interior completamente liso a través del cual el fluido fluye, y una pluralidad de cavidades, cada una de las cavidades tiene uno de la pluralidad de transductores dispuesto en ella y que está en comunicación con el fluido que fluye a través del agujero interior. Un aparato para analizar el flujo de un fluido en una tubería que incluye un medidor de flujo ultrasónico que tiene una pluralidad de transductores. El aparato incluye un elemento de flujo que tiene un agujero interior con un diámetro interno y una superficie a través de la cual el fluido fluye, una pluralidad de cavidades cada una tiene una abertura en la superficie. Cada una de las cavidades tiene uno de la pluralidad de transductores colocado en ella. El aparato comprende una camisa que cubre las aberturas de las cavidades que previene que el fluido que fluye a través del diámetro interno entre en las cavidades. Un método para analizar el flujo de un fluido en una tubería.

Description

MEDIDOR ULTRASÓNICO DE TIEMPO DE TRÁNSITO DE CORDALES DE AGUJERO INTERIOR LISO Y MÉTODO CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con el análisis del flujo de un fluido en una tubería usando un medidor de flujo ultrasónico que tiene una pluralidad de transductores y un elemento de flujo que tiene a un agujero interior completamente liso a través del cual el fluido fluye. (Tal como aquí se emplea, las referencias a "la presente invención" o a la "invención" se relacionan con modalidades de ejemplo y no necesariamente con cada modalidad incluida en las reivindicaciones anexas) . De manera más específica, la presente invención está relacionada con el análisis del flujo de un fluido en una tuberxa usando un medidor de flujo ultrasónico que tiene una pluralidad de transductores y un elemento de flujo que tiene a un agujero interior completamente liso a través del cual el fluido fluye en donde el elemento de flujo tiene cavidades que reciben a los transductores del medidor de flujo y una camisa que cubre las aberturas de las cavidades en el agujero interior.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Esta selección pretende introducir al lector a varios aspectos de la técnica que pueden relacionarse con varios aspectos de la presente invención. La siguiente discusión tiene como propósito proporcionar información para facilitar un mejor entendimiento de la presente invención. Consecuentemente, debe entenderse que las afirmaciones en la siguiente discusión deben leerse en vista de esto, y no como admisiones de la técnica anterior .

Los medidores ultrasónicos de tiempo de tránsito de cordales determinan el flujo volumétrico numéricamente integrando velocidades de fluido medidas en dos, cuatro o más trayectorias cordales. En medidores más grandes, los resultados de esta integración numérica de las velocidades medidas usualmente son cercanos con los factores del medidor de flujo volumétrico real que toma en cuenta la diferencia entre las velocidades de flujo teóricas y reales típicamente fallará dentro de algunas décimas de un por ciento de 1.000.

En medidores que tienen diámetros interiores más pequeños con cavidades más grandes para transductor, el acuerdo entre lo teórico y lo basado en hechos no es tan bueno cuando los Números de Reynolds están debajo de aproximadamente 500,000. Las desviaciones se aproximan a 1% y varían con el Número de Reynolds. La figura 1 ilustra el problema. En ella se grafican los datos del factor del medidor para una colección de medidores cuyo diámetro interno está en un rango de entre 10.16 cm (4 pulgadas) a 25.4 cm (10 pulgadas) en contra del Número de Reynolds. A un Número de Reynolds de aproximadamente 500,000, los factores del medidor son próximos a los teóricos (es decir, 1.000) pero conforme el Número de Reynolds disminuye en esta figura, se incrementa la distancia con la teoría hasta un máximo de aproximadamente 0.8% en Números de Reynolds en el rango de 30,000 a 50, 000.

Los datos experimentales - específicamente la respuesta de las velocidades cordales para los cambios en el Número de Reynolds - muestran que la causa de esta respuesta no lineal del factor del medidor para cambiar el Número de Reynolds tiene que ver con la respuesta del campo de flujo (el perfil de velocidad de fluido) para la geometría de las cavidades del transductor. Esta geometría es mostrada para un el medidor típico de 4 trayectorias de la Figura 2. En Números de Reynolds bajos a intermedios, los componentes de la velocidad de fluido entran en las cavidades, proyectándose por encima de las trayectorias acústicas de tal manera que causan que la velocidad del fluido vista por una trayectoria es más mayor que aquella que prevalecería si las cavidades no existieran. El efecto es máximo en los cordales más alejados de la línea central. Como se puede observar en la Figura 2, la geometría de las cavidades corriente abajo para las trayectorias exteriores de un medidor de 4 trayectorias en particular se prestarían para tal respuesta.

El grado para el cual esta distorsión del campo de flujo tiene ocurre depende del Número de Reynolds, probablemente porque la adhesión (o la separación) de la capa límite alrededor de las cavidades depende de las magnitudes relativas de las fuerzas inerciales y viscosas locales. En cualquier velocidad, las velocidades cordales más altas de lo esperado requieren factores del medidor menores que el teórico (1.000) para corregirlos, la cantidad de corrección varia con el Número de Reynolds.

La dependencia no lineal de factor del medidor en el Número de Reynolds presenta un problema de calibración. Si tal medidor es aplicado a la medida precisa de los flujos de productos que tengan viscosidades diferentes o si la aplicación cubre una gran variedad de flujos, el rango del Número de Reynolds al cual ese medidor será sometido, será amplio y existe la posibilidad de incluir el rango en el cual el factor del medidor es sensible al valor del Número de Reynolds. Consecuentemente, el medidor deberá ser calibrado en una instalación que tenga la capacidad para variar al Número de Reynolds sobre una gran variedad de rangos a fin de establecer con precisión una relación del Factor de Medidor - Número de Reynolds. Tales instalaciones son raras; sólo dos son conocidas en los Estados Unidos.

Además, el algoritmo para el medidor mismo deberá incluir una provisión para una corrección del Número de Reynolds, y deberá recibir una entrada de la cual pueda determinar la viscosidad cinemática (los otros componentes del Número de Reynolds, diámetro interno y velocidad del fluido, ya están disponibles en el medidor) . La viscosidad del fluido no es fácil de medir y es usualmente inferida a partir de otras variables, como la densidad del fluido o la velocidad del sonido y la temperatura. La exactitud con la cual estas variables son medidas y que la exactitud de la relación empírica entre ellas y la viscosidad del fluido afecta la exactitud de la determinación del Número de Reynolds, y por consiguiente la exactitud del ajuste del f ctor del medidor "nuevo" .

La dependencia de factor del medidor, en medidores de diámetro interno de 25.4 cm (10 pulgadas) y más pequeños, con el Número de Reynolds nos lleva asi un aumento del gasto (para realizar las calibraciones especiales necesarias para caracterizar el factor del medidor) así como también para la reducción de la exactitud (por las incertidumbres asociadas con la corrección del factor del medidor con un Número de Reynolds inferido de datos en el campo) .

BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere al análisis del fluido que fluye a través, de una tubería. El análisis es realizado con un medidor de flujo ultrasónico que tiene transductores los cuales están dispuestos en cavidades de un elemento de flujo. El fluido en la tubería fluye a través del elemento de flujo, tiempo en el cuál, el medidor de flujo analiza el fluido que fluye.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS DIFERENTES VISTAS DE LOS DIBUJOS La modalidad preferida de la invención y los métodos preferidos de practicar la invención son ilustrados en los dibujos que se acompañan, en donde: La Figura 1 es una gráfica de linealidad del factor del medidor para medidores cordales de 4 trayectorias típicos en el estado de la técnica de diámetro interno de 25.4 cm (10 pulgadas) y menores .

La Figura 2 es una configuración del estado de la técnica de un medidor ultrasónico convencional de 4 trayectorias típico mostrando las aberturas formadas por las cavidades que contienen los alojamientos del transductor.

La Figura 3 es una fotografía de un "agujero interior liso" del medidor ultrasónico cordal de 4 trayectorias.

Las Figuras 4a y 4b son representaciones de un arreglo de la camisa para el agujero interior liso del medidor ultrasónico .

La Figura 5 es una representación del aparato de la presente invención.

Las figuras 6 y 7 muestran la geometría de transmisión de energía de la trayectoria cordal exterior de un medidor de 4 trayectorias .

La Figura 8 es una gráfica del tiempo de recuperación para un cambio de paso de 10% en la velocidad del sonido del producto para el sistema que se mantiene lleno de figura 5.

La Figura 9 es una gráfica de la tasa de cambio de temperatura del producto para producir una reducción de 3 dB en la fuerza de la señal para sistema que se mantiene lleno de figura 5.

La Figura 10 es una gráfica de flujo del bypass contra el producto del Número de Reynolds .

La Figura 11 es una gráfica de la linealidad del factor del medidor cordal de 4 trayectorias de "agujero interior liso" contra aquella para medidores de 4 trayectorias que tiene una configuración de cavidad convencional.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Por lo que se refiere a las figuras en dónde números de referencia similares se refieran a las partes similares o idénticas a todo lo largo de varias vistas, y más específicamente para las figuras 4b y 5 de las mismas, en donde se muestra un aparato (10) para analizar el flujo de un fluido en una tubería (12) . El aparato (10) comprende un medidor de flujo ultrasónico (14) que tiene una pluralidad de transductores (16) . El aparato (10) comprende un elemento de flujo (18) que tiene a un agujero interior completamente liso (20) a través del cual el fluido fluye, y una pluralidad de cavidades (22), cada una de las cavidades (22) tiene uno de la pluralidad de transductores (16) dispuesto en ella y que está en comunicación con el fluido que fluye a través del agujero interior (20) .

La presente invención se refiere a un aparato (10) para analizar el flujo de un fluido en una tubería (12) . El aparato (10) comprende un medidor de flujo ultrasónico (14) que tiene una pluralidad de transductores (16) . El aparato (10) comprende un elemento de flujo (18) que tiene un agujero interior (20) con un diámetro interno y una superficie (24) a través de la cual el fluido fluye, una pluralidad de cavidades (22) cada una la cual tiene una abertura (26) en la superficie (24) . Cada una de las cavidades (22) tiene uno de la pluralidad de transductores (16) dispuesto en ella. El aparato (10) comprende una camisa (28) que cubre las aberturas (26) de las cavidades (22) el cual previene que el fluido que va fluyendo a través del agujero interior (20) entre en las cavidades (22) .

El aparato (10) puede incluir un sistema lleno (30) en comunicación fluida con las cavidades (22) , que llena las cavidades (22) con el fluido que también fluye a través del elemento (18) . el sistema lleno (30) puede incluir una toma de admisión (32) dispuesta en la tubería (12) corriente arriba del elemento (18) , y tubería corriente arriba (34) en comunicación fluida con la toma de admisión (32) y las cavidades (22) a través del cual el fluido que fluye en la tubería (12) fluye a través de las cavidades (22) . el sistema lleno (30) también puede incluir una salida (36) dispuesta en la tubería (12) corriente abajo de los elementos (18) , y tubería corriente abajo (38) en comunicación fluida con la salida (36) y las cavidades (22) a través del cual el fluido que fluye a través de las cavidades (22) es descargado en la tubería (12) . El elemento (18) puede tener una trayectoria de fluido (40) que se extiende a lo largo de las cavidades (22) y en comunicación fluida con la tubería corriente arriba (34) y la tubería corriente abajo (38) a través de la cual el fluido fluye a través de las cavidades (22) . Puede existir tubería intermedia (42) que conecta unos canales (44) a lo largo de las cavidades (22) . El trayectoria del flujo puede tener ventilas con tapa con un aislante de doble válvula (52) .

La camisa (28) puede incluir una pluralidad dé tiras (46) pegadas al elemento (18). La camisa (28) puede ser acústicamente invisible con relación al transductor (16) . En una modalidad, la camisa está hecha en acero. Los espesores de la camisa (28) pueden estar entre 0.0254 mm (0.001 pulgadas) y 0.254 mm (0.010 pulgadas). Puede existir un colador (48) dispuesto corriente arriba de las cavidades (22) . El colador (48) puede incluir al menos dos pantallas (50) .

La presente invención corresponde a un método para analizar el flujo de un fluido en una tubería (12) . El método comprende los pasos de hacer fluir el fluido a través de un elemento de flujo (18) que tiene a un agujero interior completamente liso (20) y una pluralidad de cavidades (22) . Existe el paso de determinar el flujo del fluido con el transductor (16) de un medidor de flujo ultrasónico (14) dispuesto en las cavidades (22) .

El paso de hacer fluir puede incluir el paso de hacer fluir el fluido a través del agujero interior liso (20) que tiene una camisa (28) que cubre las aberturas (26) de las cavidades (22) la cual previene que el fluido que fluye a través de agujero interior (20) entre en las cavidades (22) . Puede existir el paso de llenar las cavidades (22) con fluido que también fluye a través del elemento (18) . El paso de llenado puede incluir el paso de hacer fluir el fluido de la tubería (12) dentro de una toma de admisión (32) dispuesta en la tubería (12) corriente arriba del elemento (18) , ya través de la tubería corriente arriba (34) en comunicación fluida con la toma de admisión (32) y las cavidades (22) a través de las cuales el fluido que fluye en la tubería (12) fluye a través de las cavidades (22) .

El paso de llenado puede incluir el paso de hacer fluir el fluido desde las cavidades (22) a través de la tubería corriente abajo (38) en comunicación fluida con las cavidades (22) y descargar el fluido desde las cavidades (22) dentro de la tubería (12) a través de una salida (36) en la comunicación con la tubería corriente abajo (38) . El paso de llenado también puede incluir el paso de hacer fluir el fluido a lo largo de una trayectoria de fluido (40) que se extiende a lo largo de las cavidades (22) y en comunicación fluida con la tubería corriente arriba (34) y la tubería corriente abajo (38) a través del cual el fluido fluye a través de las cavidades (22) . Puede existir el paso de hacer fluir el fluido en la tubería (12) a través de un colador (48) dispuesto corriente arriba de las cavidades (22) .

Durante la operación de la invención, los factores del medidor de los medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito de cordales convencionales pueden variar con el Número de Reynolds, por consiguiente aumentando la incertidumbre de sus calibraciones así como también la complejidad del proceso de calibración. Esta invención implica una configuración para un medidor ultrasónico de tiempo de tránsito de cordales que elimina esta dependencia de factor del medidor en el Número de Reynolds y mejora la sustentabilidad de los medidores de flujo ultrasónicos de cordal múltiple.

Los medidores de flujo de tiempo de tránsito determinan la velocidad del fluido registrando el tiempo de las veces de pulsos que viajan diagonalmente corriente arriba y corriente abajo entre los pares de transductores (16) . En un medidor de flujo cordal (14) convencional los transductores (16) se sitúan en las cavidades (22) que intersecan el diámetro interno del elemento de flujo (18) . La geometría de la intersección entre la cavidad del transductor y el diámetro interno del elemento de flujo (18) es compleja porque la intersección generalmente ocurre en un codal y no en la línea central. (La figura 2 muestra una configuración típica de la intersección.) Las aberturas (26) resultantes de la intersección de las cavidades (22) del transductor y el diámetro interno del elemento de flujo (18) actúan como aberturas para la transmisión y la recepción de la energía ultrasónica. Existe una dependencia del factor del medidor con el incremento del Número de Reynolds solamente por la interacción del fluido que fluye con las cavidades (22) .

La configuración de la invención que se describe en la presente es mostrada en la fotografía de la figura 3, y diagramada en las figuras 4a y 4b-. Esencialmente, la invención elimina la interacción del fluido con las cavidades (22) mediante la camisa (28) en el diámetro interno del elemento de flujo (18) con una laminilla metálica delgada. La configuración es referida en la presente como un medidor de "agujero interior liso", ya que el fluido que fluye no experimenta alteraciones de las paredes del elemento de flujo (18) a través del cual fluye.

Las cavidades (22) detrás de la laminilla son llenadas con el líquido del proceso usando un sistema "que se mantiene lleno" como el mostrado en la figura 5. El fluido de proceso tiene las mismas características físicas nominales y está a la misma presión nominal que el fluido de proceso. De esta forma, la camisa (28) que cubre las cavidades (22) no experimenta ninguna carga significativa de presión y sirve sólo para eliminar la interacción entre el fluido de proceso que fluye y el fluido en las cavidades (22) .

La figura 5 ilustra la entrada corriente arriba de los elementos de flujo (18) en donde se muestra la toma de admisión (32) . También se muestra el elemento de flujo (18) incluyendo las cavidades (22) del transductor y alojamientos del transductor, y el escape corriente abajo del elemento de flujo (18) mostrando la salida.

En la configuración del medidor de flujo (14) descrita en el presente, la energía ultrasónica debe viajar, para cada trayectoria acústica, desde un transductor transmisor: (1) A través del fluido esencialmente estancado en la cavidad delantera del transductor transmisor, (2) A través de la camisa (28) que separa esa cavidad del fluido que fluye, (3) A través del fluido que fluye mismo, por consiguiente (4) A través de la camisa (28) que separa la cavidad del transductor receptor del fluido que fluye, (5) A través de la cavidad del transductor receptor para el transductor receptor.

El algoritmo conocido utilizado por el medidor de flujo (14) para convertir los tiempos de tránsito a la velocidad del fluido requiere que la energía que alcanza al transductor receptor sea suficiente como para la detección de pulso fidedigna y que la trayectoria acústica descrita arriba sea previsible. Lo siguiente es por lo tanto de aplicable. (a) La camisa (28) deberá ser acústicamente invisible. Es decir, deberá responder a un ultrasonido como un diafragma exible, la transmisión de energía que no ha sido afectada por las propiedades de la camisa (28) material. Para alcanzar este requisito, la longitud de onda de la energía acústica en la camisa (28) deberá ser mucho más larga que el espesor de la camisa (28) . (b) El algoritmo de los medidores de flujo cordales asume que la energía que entra en el fluido desde un transductor transmisor alcanza a un transductor receptor mediante una línea recta que conecta a los dos. Las diferencias en las propiedades acústicas del fluido detrás de la camisa (28) y el fluido de proceso causarán refracción, y por consiguiente deflexión de la energía transmitida, reduciendo la cantidad de energía transmitida que viaja la trayectoria de algoritmo. Las diferencias en propiedades deberán estar limitadas de tal forma que la fracción de la energía transmitida que alcanza al transductor receptor sea suficiente para la detección fidedigna de la señal. (c) Una configuración de la invención descrita utiliza un sistema "que se mantiene lleno" que utiliza la velocidad principal del fluido de proceso para conducir ese fluido a través de las cavidades (22) detrás de la camisa (28) (E arreglo se muestra en la Figura 5) . El propósito principal de este arreglo es asegurar que las diferencias entre las propiedades de fluido de la cavidad y las propiedades de fluido de proceso, si existieran, cumplen con los requisitos de (b) arriba. Sin embargo, el arreglo "que se mantiene lleno" de la Figura 5 constituye una trayectoria de fluido (40) que bordea la medición de flujo ultrasónico (el flujo del fluido a través de las cavidades (22) es, en promedio, normal al haz acústico y por lo tanto no es "visto" por el ultrasonido que transita) . La cantidad de flujo bordeando la medición no deberá afectar materialmente la exactitud de la medición de flujo, bajo todas las condiciones de funcionamiento .

Los exámenes para confirmar la eficacia de la invención descrita utilizaron la configuración mostrada en la Figura 3. Esta configuración utilizó un material de la camisa de acero inoxidable de serie 300. La longitud de onda del ultrasonido ? es dada por el cociente de la velocidad de propagación C y la frecuencia del ultrasonido f.

(Cl) ? = C/f.

Para determinar la restricción de espesor máximo de la camisa (28) , es requerida la mínima longitud de onda, por lo tanto la velocidad de propagación mínima y la frecuencia más alta. Para la camisa de acero inoxidable, la velocidad de propagación mínima para el ultrasonido es el de una onda de esfuerzo cortante de alrededor de 3,175 m/s (125,000 pulgadas/s) (La velocidad de propagación para una onda de estrés longitudinal es de alrededor de 1.8 veces mayor). El extremo superior de la frecuencia del ultrasonido destinado para la medición del flujo del fluido es aproximadamente 2 MHz . Por lo tanto, la mínima longitud de onda de ultrasonido en la camisa de acero inoxidable es ?= 3,175/2,000,000 = 1.587 mm (125,000/2,000,000 = 0.0625 pulgadas (1/16 de pulgada) ) . La "transparencia" acústica requiere que la camisa sea menor que ¼ de esta figura. Varios espesores de la camisa (28) fueron puestos a prueba para decidir cuánto atenuaron la onda transmitida. Se encontró que las camisas cuyo rango en el espesor es de 0.0254 mm (0.001 pulgadas) y 0.254 mm (0.010 pulgadas) no atenuaron significativamente el ultrasonido. Por otra parte, un espesor de la camisa de 3.175 mm (1/8 de pulgada) (dos longitudes de onda) fue encontrado para producir de manera inaceptable alta atenuación. Para las pruebas del flujo de la invención, un espesor de 0.127 mm (0.005 pulgadas) fue escogido - este espesor proporcionó integridad estructural razonable así como también aceptablemente baja atenuación.

La refracción de la onda acústica en el límite entre la cavidad y los fluidos de proceso es determinada por la geometría de la intersección y las velocidades del sonido del fluido de la cavidad y del fluido de proceso. Si un sistema lleno es empleado, tal como el de la Figura 5, las dos velocidades del sonido serán iguales en el estado estable, pero el desfase entre las propiedades del fluido en las cavidades (22) y las propiedades del fluido de proceso puede causar la aparición de diferencias. (El desfase ocurre porque la velocidad del fluido a través del sistema lleno es más baja que a través del medidor. Para el análisis que se describe en los párrafos subsiguientes, la velocidad del sonido del fluido de la cavidad CCAVITY fue asumida a seguir la del proceso CFLUID según una ecuación diferencial de primer orden: CFLUID = t d/dt + (CCAVITY) CCAVITY- En donde t es la constante de tiempo del sistema lleno que es aproximada por su volumen dividida entre su flujo.) La velocidad del sonido del fluido de proceso cambiará con su temperatura, la cual puede variar en el tiempo. Adicionalmente , en una tubería del múltiples productos, la velocidad del sonido de una carga puede diferir, y usualmente lo hace, de la carga que la precedió. El sistema lleno (30) debe asegurar que las diferencias de la velocidad del sonido no desestabilicen la operación del medidor.

La geometría del límite de refracción es compleja (en referencia otra vez a la Figura 2) . Para un medidor cordal de 4 trayectorias, el plano que contiene las cuatro trayectorias acústicas es el más limitante, con las trayectorias exteriores teniendo una geometría más restringida que las trayectorias interiores. Una vista ampliada de la geometría de la trayectoria exterior se observa en la Figura 6. El límite entre el fluido de la cavidad y el fluido de proceso (mantenido por la camisa (28) ) define el ángulo de refracción. El ángulo de un rayo incidente en el medio 1 referente a una normal para este límite, Qlf está relacionado con el ángulo del rayo refractado referente a la misma normal, ?2, por la ley de Snell. Esta ley establece que: (C2) sen T?/Ci = sen 92/C2 De esta forma, Ci y C2 son las velocidades de propagación del sonido en el medio incidente (el fluido de la cavidad) y el medio de refracción (el fluido de proceso) , respectivamente. La diferencia entre el ángulo incidente y el ángulo de refracción, d?2, a causa de una diferencia entre las velocidades de propagación en la cavidad y el fluido de proceso, 5C2, están daos por: La figura 7 muestra los ángulos incidentes y de refracción. En un medidor de 4 trayectorias de 15.24 cm (6 pulgadas) con un diámetro de transductor (16) de 12.7 mm (¾ pulgada) , el ?? incidente es de aproximadamente 68°. La diferencia permisible entre los ángulos incidentes y de refracción depende del patrón del haz de transmisión, mostrado en la Figure 6.

Usualmente, el ancho angular del haz (dado por el ángulo a) se estrecha a propósito, a fin de maximizar la fracción de la energía transmitida que se capturó por el transductor receptor. El ancho del haz a es aproximado por: (C4) a = ?/d radianes En donde ? es la longitud de onda del ultrasonido en el fluido de proceso y d es el diámetro de la cavidad.

Un ancho del haz estrecho es menos tolerante a los cambios pequeños en el ángulo de refracción porque un cambio pequeño en Q2 puede dirigir la mayor parte de la energía transmitida fuera del transductor receptor. Para una cavidad de 12.7 mm (¾ pulgada), una velocidad del sonido típica de fluido de proceso de 1270 m/seg ( 50 , 000 pulgada/segundo) y una frecuencia de 2 MHz para el ultrasonido, el ancho del haz a es aproximadamente 3o. Una deflexión del haz de acerca de ½ a causaría una reducción de 30% (3 dB) en la señal recibida. Utilizando ½ y la geometría de la Figura 6 como una base conservadora para la diferencia aceptable entre la velocidad del sonido de la cavidad y la velocidad del sonido de fluido de proceso, se calcula una diferencia de aproximadamente 12.7 m (500 pulgadas por segundo) .

Esta figura es aproximadamente 1 % de la velocidad del sonido para un derivado del petróleo típico y corresponde a un cambio de alrededor de 5o F en la temperatura de ese producto.

¿Qué quiere decir esta limitación en términos del desempeño del medidor? Las figuras 8 y 9 pueden contestar a esta pregunta. La figura 8 gráfica el tiempo para recobrar la señal recibida dentro de 3 dB (70 %) de la magnitud prevaleciendo antes de un cambio de 10 % en la velocidad del sonido del producto. Una velocidad del sonido típica para un derivado del petróleo es de alrededor de 1270 m/seg (50,000 pulgada/segundo) . Un cambio de 10% (127 m/s (5,000 pulgada /segundo)) es representativo de la diferencia en las velocidades del sonido entre el combustible diesel y la gasolina. La figura 8 indica eso, para Números de Reynolds que probablemente prevalecen en una recuperación de la tubería de múltiples productos (50,000 o más) dentro de 3 dB ocurriría en menos de 1 minuto.

Se deberá notar que una señal recibida atenuada por más de 3 dB no necesariamente causará que el medidor funcione mal; sin embargo la exactitud del medidor puede ser menor que su valor de diseño para el período cuando la fuerza de la señal trasciende este límite.

La figura 9 muestra la velocidad de cambio de temperatura del producto que puede ser acomodada por el sistema lleno de la figura 5 mientras se mantiene la señal recibida dentro de 3 dB de su valor nominal. Los cambios de temperatura del producto típicamente ocurren por los cambios en la temperatura ambiente, que afectan a la temperatura del producto en una tubería sobre tierra, y que son típicamente lentos. La figura 9 muestra que el cambio de temperatura de las velocidades de proceso más limitativo admisible ocurre en números de Reynolds bajos. En aplicaciones reales, los números de Reynolds bajos - en el rango de 10,000 a 20,000- pueden ocurrir en tuberías pequeñas llevando petróleo crudo pesado. La figura 9 muestra que los cambios en la temperatura en el rango de 10° F/hora no causarán una pérdida aceptable de fuerza de la señal. Los cambios típicos en la temperatura del producto debido a los cambios de temperatura de la noche y el día están bien debajo de este valor.

La figura 10 muestra el escape del bypass a través del sistema lleno de la figura 5 como una función del número de Reynolds del producto. Para todos los números de Reynolds en los cuales la invención descrita en la presente podría ser aplicada (5,000 a 500,000) que el escape del bypass es menor que 0.03% del flujo que pasa a través del medidor. Este error potencial es debido a que el flujo del bypass puede ser corregido ya sea en el medidor o la instalación. Además, si las aplicaciones específicas requieren de una respuesta más rápida de la velocidad del sonido de fluido de la cavidad para los cambios en la velocidad del sonido del fluido de proceso, la velocidad de flujo del sistema "que se mantiene lleno" podría ser aumentada (aumentando el diámetro de los pasajes de flujo del sistema) .

Para las pruebas de constatación preliminar, las cavidades (22) fueron llenadas con el fluido de proceso usando un método manual de válvulas y entubando. Por consiguiente, el fluido de la cavidad estaba cerca del fluido de proceso, tanto en propiedades químicas como en temperatura - probablemente dentro de 254 ó 508 cm/segundo (100 o 200 pulgada/segundo) . A todo lo largo de las pruebas, la fuerza de la señal permaneció aceptable .

La figura 11 muestra la dependencia del factor del medidor del medidor de agujero interior liso (20) de la figura 3. También se encuentra ilustrado el factor del medidor de un medidor cordal convencional típico (en donde las cavidades (22) están expuestas al flujo del fluido de proceso) . La mejora en la linealidad es pronunciada. Mientras que el medidor convencional muestra una variación en el factor del medidor con el número de Reynolds acercándose a 0.8%, la sensibilidad del medidor de agujero interior liso (20) es menor que 0.1%. Además, esta sensibilidad pequeña es previsible - la sensibilidad teórica de la integración numérica de cuadratura para desarrollar perfiles en un rango del número de Reynolds de la figura está declinando alrededor de 0.1 %. Una corrección para esta pequeña no linealidad requiere de una medida del número de Reynolds; puede ser afectado utilizando las mediciones de velocidad cordal del mismo medidor, específicamente la proporción entre las velocidades cordales exteriores y las velocidades cordales interiores.

El material de la camisa (28) debería ser resistente, para resistir la abrasión y resistir la corrosión, para prevenir cambios en la aspereza de la superficie (24) . Debería estar fácilmente disponible en hojas que tienen espesores que alcanzan las especificaciones de la longitud de onda descrita anteriormente - alrededor de 0. 127 mm (0.005 pulgadas) para la camisa de acero inoxidable utilizada en la experimentación. Los materiales del candidato son: acero inoxidable de serie300, titanio e Inconel. Se deberá notar que las especificaciones dimensionales para los lugares cordales deben tener en cuenta el efecto de la camisa en el diámetro interno del medidor. También se deberá notar que ningún acabado maquinado es requerido en el diámetro interno o en los agujeros interiores (20) del transductor, ya que el campó del flujo a través del medidor no interactúa con esas superficies (24) .

Para los medidores de producción, la camisa (28) puede estar fijada por pestañas para la aleta delantera del elemento de flujo (18) como se muestra en la figura 3 y como fue hecha durante los experimentos. La soldadura de la unión puede ser hecha tan pequeña como sea posible y localizada fuera de cualquiera de las trayectorias acústicas, como se muestra en la figura 4b. Un proceso de rolado (similar al rolado de tubos dentro de una placa de tubos, pero en una escala mucho más larga) aseguraría que el espacio entre la base de metal del elemento de flujo (18) y la camisa (28) sea minimizado. Dos bandas circunferenciales de un adhesivo epóxico, resistente al ataque de los derivados del petróleo y localizado cercano de los bordes de conducción y de salida de la camisa (28) , proveen seguridad adicional de que la banda permanecerá fija en posición.

Las especificaciones para el diseño del sistema lleno fueron discutidas arriba, específicamente: A. La velocidad de flujo a través del sistema lleno deberá remplazar el fluido en las cavidades (22) entre los alojamientos del transductor y la camisa (28) lo suficiente rápido como para limitar la diferencia entre la velocidad del sonido del fluido de la cavidad y la velocidad /del sonido del producto que fluye bajo las condiciones transitorias. No se podrá permitir que la diferencia en las velocidades del sonido de la cavidad y del producto se vuelva lo suficientemente larga como para impedirle al haz ultrasónica transmitido "iluminar" el transductor receptor (es decir, la refracción del haz en las interfaces de la cavidad/producto debe ser limitada a un valor aceptable) . Este requisito establece una velocidad de flujo lleno mínimo aceptable. La condición más limitativa para la cual este requisito aplica normalmente ocurre en la velocidad de flujo de producto mínima y en la viscosidad de producto máxima los cuales actuarán para reducir el flujo lleno (mediante la reducción del caudal conductor y el aumento de la resistencia de bucle lleno, respectivamente) .

B. El flujo a través del sistema lleno (30) no está medido por el medidor ultrasónico cordal y por lo tanto constituye un error en la medida de su flujo. Aunque la magnitud del error puede ser disminuida por una estimación del flujo lleno, no obstante el flujo del bypass deberá estar limitado para asegurar que el medidor cumpla con su especificación de exactitud. Este requisito establece una velocidad de flujo lleno máxima. La condición más limitativa para la cual este requisito aplica normalmente ocurre en la velocidad de flujo de producto máxima y la viscosidad de producto mínima, los cuales actuarán para aumentar el flujo lleno (mediante el aumento del caudal conductor y la reducción de la resistencia de de bucle lleno, respectivamente) .

Las figuras 8, 9 y 10 ilustran la habilidad de un sistema lleno (30) específico para cumplir con estos requisitos para un rango de productos, temperaturas del producto y números de Reynolds del producto (es decir, las viscosidades y velocidades de flujo) . Las respuestas calculadas en las cuales las figuras están basadas son para un medidor de 4 cordales de 15.24 cm (6 pulgadas) con el sistema lleno (30) ilustrado en la figura 5 y que tiene las siguientes características: El caudal conductor H provisto por la toma + descarga.

H = (eficiencia) { (velocidad local del caudal corriente arriba) - (velocidad local del caudal corriente abajo) H = ? [ ( + ¾ v2/g) - ( - ½ v2/g) = ? v2/g En donde ? es la eficiencia del arreglo de la toma/descarga y es considerado como 0.7, basado en la experiencia con medidores de fijo de tubo Dahl .

La V es la velocidad del producto cerca de la pared del medidor de flujo (14) , considerada como ¾ de la velocidad del producto promedio .

La g es la constante de gravitación.

La tubería es de acero inoxidable, seleccionada por su disponibilidad y su resistencia a la corrosión. Para el medidor de 15.24 cm (6 pulgadas) del caso muestra se seleccionó un diámetro de tubería de 6.35 mm (¼ pulgada) (ID de tubo de 5.334 mm (0.21 pulgadas) ) . Para las longitudes y configuración requeridas en este tamaño de medidor, la resistencia de la tubería, en combinación con las pérdidas por entrada, salida y curvas llevan a velocidades de flujo que cumplen con los criterios a y b de arriba, por encima de un amplio rango de condiciones de funcionamiento .

Se debe enfatizar que el tamaño de la tubería y otras especificaciones del diseño deben seleccionarse de manera adecuada según sea el caso para cada aplicación; los medidores más grandes generalmente requerirán tubería de tamaño más grande.

La anchura de las tomas de entrada y de descarga es aproximadamente 4 diámetros del tubo; su altura es aproximadamente 1 diámetro del tubo. Estas dimensiones provocan una alteración relativamente pequeña para el campo de flujo, pero capturan una fracción grande del caudal de velocidad local. La distancia entre la toma de admisión (32) y las trayectorias acústicas del medidor ultrasónico es tal que la alteración del perfil de velocidad axial creado por la toma habrá desaparecido cuando el perfil sea detectado por los pulsos ultrasónicos. La distorsión del campo de flujo creada por una pequeña alteración d que se proyecta radialmente en la corriente de flujo generalmente desaparecerá 10 a 20 d corriente abajo. Este requisito es cumplido por el sistema mostrado en la figura 5. La salida (de descarga) corriente abajo deberá asimismo ser removida del campo de flujo probado por las trayectorias acústicas, aunque la distancia de separación no necesita ser tan grande (una distancia de M D desde las trayectorias acústicas, en donde la D es el diámetro interno del elemento de flujo (18) es considerada adecuada) .

Otros datos de la muestra del sistema lleno (30) de la figura 5 en el cual se basa el desempeño mencionado en el presente se encuentran enumerados más adelante. Los cálculos de flujo y de resistencia fueron realizados usando los datos de "El Flujo de Fluidos a través de Válvulas, Accesorios y Tuberías, " Documento Técnico 410 de Crane Co., fue incorporado como referencia en el presente .

• La longitud de la tubería corriente arriba del alimentador de la cavidad corriente arriba: Máximo de 2¾ diámetros de medidor (381 mm (15 pulgadas)) . Esta tubería corre de manera externa al elemento de flujo (18) mismo como se muestra en la figura 5. Las cargas de presión en la pared del elemento de flujo (18) mismo no permitirán que este pasaje sea taladrado axialmente a lo largo del elemento de flujo (18) . Sin embargo, la penetración radial de 6.35 rara (0.25 pulgadas) que conecta la tubería a la toma de admisión (32) no requiere de refuerzo (por su tamaño pequeño en relación al espesor de la pared) . El refuerzo puede ser requerido para esta penetración en elementos de flujo (18) más grandes con tubería más grande.

• La longitud de 5.334 mm (0.21 pulgada) del alimentador para cuatro (4) cavidades de transductor (22) corriente arriba, 1 diámetro de medidor (152.4 mm(6 pulgadas) ) . Las dimensiones del "asiento" que contiene los cuatro transductores (16) en el cuerpo del medidor de petrolero estándar de Caldon son tales que ningún refuerzo es requerido para este alimentador.

• La longitud de la tubería, que conecta el alimentador de cavidad corriente arriba con el alimentador de cuatro cavidades de transductor (22) corriente abajo, 3 diámetros de medidor (457.2 mm (18 pulgadas) ) . Debido a la compleja trayectoria, esta conexión es hecha de manera externa al cuerpo del medidor mismo.

• La longitud de 5.334 mm (0.21 pulgada) del alimentador para cuatro (4) cavidades de transductor (22) corriente abajo, 1 diámetro de medidor (152.4 mm(6 pulgadas)). Al igual que con el cabezal corriente arriba, ningún refuerzo es requerido.

• La longitud de la tubería que conecta la descarga del alimentador corriente abajo a la descarga corriente abajo del sistema lleno (30) , 2 ¾ diámetros de medidor (381 mm (15 pulgadas) ) como máximo. Al igual que con la tubería de entrada, esta tubería corre de manera externa al elemento de flujo (18) mismo, por las mismas razones. Nuevamente, ningún refuerzo es requerido para la penetración radial de 6.35 mm (¼ pulgada) para la descarga.

• El número de expansiones repentinas en circuito lleno: 9.

• El número de contracciones repentinas en circuito lleno: 9.

• El número de dobleces a 90° en circuito lleno: 11.

La presión estática dentro del sistema lleno diseñado como se describió anteriormente, en promedio, será aproximadamente igual a la presión estática del producto en el elemento de flujo (18) y nunca será mayor de ¾ de una velocidad de caudal por encima de la presión estática del producto. Esta diferencia de presión, 6.895 ó 13.79 KPa (1 ó 2 psi) , no es capaz de producir una alteración significativa de la camisa (28) que cubre las cavidades (22) del transductor.

Se deberá notar que la invención descrita puede encontrar aplicación donde la dependencia de factor del medidor en el número de Reynolds es poca o ninguna - es decir, en medidores más grandes de 254 mm (10 pulgadas) en diámetro interno y en números de Reynolds por encima de 500,000. Algunos fluidos de proceso, petróleos crudos en particular, contienen ceras y otros contaminantes que pueden encontrar camino hacia adentro de las cavidades (22) del transductor. Estos depósitos pueden atenuar y pueden distorsionar las señales recibidas. El uso de una camisa (28) y un sistema "que se mantiene lleno" proporciona un medio para prevenir tales depósitos.

Sin embargo, ciertas modificaciones al sistema "lleno" de la figura 5 son necesarias en tales aplicaciones. Específicamente, un colador (48) podría añadirse al sistema en un lugar corriente abajo de la toma pero corriente arriba de las cavidades (22) para prevenir que el flujo lleno introduzca depósitos no deseados dentro de la camisa (28) . La malla del colador (48) puede seleccionarse a una dimensión aceptable para limitar el tamaño de las partículas contaminantes. Es posible utilizar en el diseño, un colador (48) "dúplex" que permita al flujo lleno mantenerse atravesando un filtro mientras que el segundo filtro sea removido para su limpieza y posteriormente sea vuelto a colocar. Adicionalmente, un diseño de la "toma" que sirve como una toma para el sistema lleno podría ser diferente del sistema de la figura 5. Un diseño alineado en un lugar de mayor presión corriente arriba del elemento de flujo (18) sería deseable (para evitar que las partículas se depositen y posiblemente taponen el lleno en las tuberías del sistema lleno) .

Aunque la invención haya sido descrita en detalle con base en las modalidades anteriores con el propósito de ilustración, se deberá entender que tal detalle es solamente para dicho propósito y que ciertas variaciones pueden ser hechas dentro de la invención por aquellos expertos en la técnica sin alejarse, del espíritu y del alcance de la invención salvo como puede estar descrita por las siguientes reivindicaciones.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato para analizar el flujo de un fluido en una tubería que comprende : un medidor de flujo ultrasónico que tiene una pluralidad de transductores; y un elemento de flujo que tiene un agujero interior completamente liso a través del cual el fluido fluye, y una pluralidad de cavidades, cada una de las cavidades tiene uno de la pluralidad de transductores dispuesto en ella y la cual está en comunicación con el fluido que fluye a través del agujero interior .

2. Un aparato para analizar el flujo de un fluido en una tubería que comprende : un medidor de flujo ultrasónico que tiene una pluralidad de transductores; un elemento de flujo que tiene un agujero interior con un diámetro interno y una superficie a través de los cuales el fluido fluye, una pluralidad de cavidades cada una posee una abertura en la superficie, cada una de las cavidades es uno de la pluralidad de transductores dispuesto en ella; y una camisa que cubre las aberturas de las cavidades la cual previene que el fluido que fluye a través del agujero interior entre en las cavidades.

3. El aparato según se describe en la reivindicación 2, que incluye un sistema que se mantiene lleno en comunicación fluida con las cavidades que llena las cavidades con fluido que también fluye a través del elemento.

4. El aparato según se describe en la reivindicación 3, en donde el sistema lleno incluye una toma de admisión colocada en la tubería corriente arriba desde el elemento, y tubería corriente arriba en comunicación fluida con la toma de admisión y las cavidades a través de las cuales el fluido que fluye en la tubería fluye a través de las cavidades.

5. El aparato según se describe en la reivindicación 4, en donde el sistema lleno incluye una salida colocada en la tubería corriente abajo de los elementos, y tubería corriente abajo en comunicación fluida con la salida y las cavidades a través de las cuales el fluido que fluye a través de las cavidades se descarga en la tubería.

6. El aparato según se describe en la reivindicación 5, en donde el elemento tiene una trayectoria de fluido que se extiende a lo largo de las cavidades y en comunicación fluida con la tubería corriente arriba y la tubería corriente abajo a través de las cuales el fluido fluye a través de las cavidades.

7. El aparato según se describe en la reivindicación 6, en donde la camisa incluye una pluralidad de tiras acopladas al elemento.

8. El aparato según se describe en la reivindicación 7, en donde la camisa es acústicamente invisible con relación a los transductores.

9. El aparato según se describe en la reivindicación 8, en donde la camisa está fabricada en acero.

10. El aparato según se describe en la reivindicación 9, en donde los espesores déla camisa están entre 0.0254 mm (0.001 pulgadas) y 0.254 mm (0.010 pulgadas).

11. El aparato según se describe en la reivindicación 10, incluye un colador colocado corriente arriba de las cavidades.

12. El aparato según se describe en la reivindicación 11, en donde el colador incluye al menos dos pantallas.

13. Un método para analizar el flujo de un fluido en una tubería que comprende los pasos de : hacer fluir el fluido a través de un elemento de flujo que tiene un agujero interior completamente liso, y una pluralidad de cavidades; Y determinar el flujo del fluido con transductores de un medidor de flujo ultrasónico colocados en las cavidades.

14. El método según se describe en la reivindicación 13, en donde el paso de hacer fluir incluye el paso de hacer fluir el fluido a través del agujero interior liso que tiene una camisa que cubre las aberturas de las cavidades que previene que el fluido que fluye a través del agujero interior entre en las cavidades.

15. El método según se describe en la reivindicación 14, que incluye el paso de llenar las cavidades con fluido que también fluye a través del elemento.

16. El método según se describe en la reivindicación 15, en donde el paso de llenado incluye el paso de hacer fluir el fluido de la tubería en una toma de admisión colocada en la tubería corriente arriba del elemento, y a través de la tubería corriente arriba en comunicación fluida con la toma de admisión y las cavidades a través de las cuales el fluido que fluye en la tubería fluye a través de las cavidades.

17. El método según se describe en la reivindicación 16, en donde el paso de llenado incluye el paso de hacer fluir el fluido desde las cavidades a través de la tubería corriente abajo en comunicación fluida con las cavidades y descargar el fluido desde las cavidades en la tubería a través de una salida en comunicación fluida con la tubería corriente abajo.

18. El método según se describe en la reivindicación 17, en donde el paso de llenado incluye el paso de hacer fluir el fluido a lo largo de una trayectoria de fluido que se extiende a través de las cavidades y en comunicación fluida con la tubería corriente arriba y la tubería corriente abajo a través de las cuales el fluido fluye a través de las cavidades. 1.9. El método según se describe en la reivindicación 18, que incluye el paso de hacer fluir el fluido en la tubería a través de un colador colocado corriente arriba de las cavidades .