Измерение влажного газа

Измерение влажного газа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Ссылка на родственные заявки

Данная заявка притязает на приоритет предварительной заявки США № 60/823,753, поданной 28 августа 2006 г., под названием WET GAS MEASUREMENT SYSTEM, которая включена в полном объеме посредством ссылки. Предварительная заявка США № 60/913,148, поданная 20 апреля 2007 г. под названием WET GAS CALCULATIONS, включена в полном объеме посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Данное описание относится к расходомерам.

Уровень техники

Расходомеры обеспечивают информацию о материалах, транспортируемых по трубопроводу. Например, массовые расходомеры обеспечивают прямое указание массы материала, транспортируемого по трубопроводу. Аналогично, плотностные расходомеры или денситометры обеспечивают указание плотности материала, текущего через трубопровод. Массовые расходомеры также могут обеспечивать указание плотности материала.

Массовые расходомеры кориолисова типа базируются на общеизвестном эффекте Кориолиса, в котором материал, текущий через вращающийся трубопровод, становится радиально перемещающейся массой, которая подвергается действию силы Кориолиса и потому испытывает ускорение. Многие массовые расходомеры кориолисова типа порождают силу Кориолиса за счет синусоидального колебания трубопровода относительно оси поворота, перпендикулярной длине трубопровода. В таких массовых расходомерах, сила реакции Кориолиса, действующая на массу движущейся текучей среды, переносится на сам трубопровод и проявляется как отклонение или смещение трубопровода в направлении вектора силы Кориолиса в плоскости вращения.

Энергия подается на трубопровод механизмом возбуждения, который прилагает периодическую силу для колебания трубопровода. Один тип механизма возбуждения представляет собой электромеханический возбудитель, который прилагает силу, пропорциональную приложенному напряжению. В колебательном расходомере, приложенное напряжение является периодическим и, в общем случае, синусоидальным. Период входного напряжения выбирается так, чтобы движение трубопровода соответствовало резонансному режиму колебаний трубопровода. Это снижает энергию, необходимую для поддержания колебаний. Колебательный расходомер может использовать контур обратной связи, в котором сигнал датчика, который переносит информацию мгновенных частоты и фазы, связанных с колебанием трубопровода, усиливается и поступает обратно на трубопровод с использованием электромеханического возбудителя.

Сущность изобретения

В одном общем аспекте, многофазная рабочая текучая среда пропускается через вибрационную трубку Вентури. В вибрационной трубке Вентури создается движение. Первое наблюдаемое свойство многофазной рабочей текучей среды определяется на основании движения вибрационной трубки Вентури, и наблюдаемое промежуточное значение, связанное с многофазной рабочей текучей средой, определяется на основании первого наблюдаемого свойства. Скорректированное промежуточное значение определяется на основании отображения между наблюдаемым промежуточным значением и скорректированным промежуточным значением. Зависящее от фазы свойство фазы многофазной рабочей текучей среды определяется на основании скорректированного промежуточного значения.

Варианты реализации могут включать в себя один или несколько из следующих признаков. Отображение может представлять собой нейронную сеть, способную определять ошибку в промежуточном значении, обусловленную наличием многофазной рабочей текучей среды. Наблюдаемое промежуточное значение можно определить как находящееся в первой заданной области значений до определения скорректированного промежуточного значения, и скорректированное промежуточное значение можно определить как находящееся во второй заданной области значений до определения зависящего от фазы свойства фазы многофазной рабочей текучей среды.

Многофазная рабочая текучая среда может представлять собой влажный газ. Многофазная рабочая текучая среда может включать в себя первую фазу и вторую фазу, первая фаза может включать в себя негазообразную текучую среду, и вторая фаза может включать в себя газ. Многофазная рабочая текучая среда может включать в себя первую фазу, включающую в себя первую негазообразную текучую среду, и вторую фазу, включающую в себя вторую негазообразную текучую среду, и третью фазу, включающую в себя газ.

Этап определения первого наблюдаемого свойства многофазной рабочей текучей среды может включать в себя определение второго наблюдаемого свойства многофазной рабочей текучей среды. Первое наблюдаемое свойство многофазной рабочей текучей среды может представлять собой массовый расход, и второе наблюдаемое свойство может представлять собой плотность.

Можно принимать одно или несколько измерений, соответствующих дополнительному свойству рабочей текучей среды. Дополнительное свойство многофазной текучей среды может включать в себя одно или несколько из температуры многофазной текучей среды, давления, связанного с многофазной текучей средой, и обводненности многофазной текучей среды, и определение наблюдаемого промежуточного значения, связанного с многофазной рабочей текучей средой, на основании первого наблюдаемого свойства может включать в себя определение промежуточного значения на основании первого наблюдаемого свойства и дополнительного свойства.

Определение наблюдаемого промежуточного значения, связанного с многофазной рабочей текучей средой, на основании первого наблюдаемого свойства может включать в себя определение объемной доли, связанной с количеством негазообразной текучей среды в многофазной рабочей текучей среде, и объемного расхода многофазной текучей среды. Определение наблюдаемого промежуточного значения, связанного с многофазной рабочей текучей средой, на основании первого наблюдаемого свойства может включать в себя определение первого числа Фруда, соответствующего негазовой фазе многофазной текучей среды, и второго числа Фруда, соответствующего газовой фазе многофазной текучей среды.

Определение зависящего от фазы свойства фазы многофазной рабочей текучей среды на основании скорректированного промежуточного значения может включать в себя определение массового расхода негазовой фазы многофазной текучей среды.

Варианты реализации любых вышеописанных способов могут включать в себя способ или процесс, систему, расходомер, или инструкции, хранящиеся в запоминающем устройстве передатчика расходомера. Детали конкретных вариантов реализации представлены в прилагаемых чертежах и нижеследующем описании. Другие признаки явствуют из нижеследующего описания, включающего в себя чертежи, и формулы изобретения.

Варианты реализации любых вышеописанных способов могут включать в себя способ или процесс, систему, расходомер, или инструкции, хранящиеся в запоминающем устройстве передатчика расходомера. Детали конкретных вариантов реализации представлены в прилагаемых чертежах и нижеследующем описании. Другие признаки явствуют из нижеследующего описания, включающего в себя чертежи, и формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - блок-схема цифрового массового расходомера.

Фиг.2A и 2B - виды в перспективе и сбоку механических компонентов массового расходомера.

Фиг.3A-3C - схемы трех режимов движения расходомера, показанного на фиг.1.

Фиг.4 - блок-схема аналоговой схемы управления и измерения.

Фиг.5 - блок-схема цифрового массового расходомера.

Фиг.6 - логическая блок-схема, демонстрирующая работу измерителя, показанного на фиг.5.

Фиг.7A и 7B - графики, демонстрирующие данные датчиков.

Фиг.8A и 8B - графики напряжения датчика относительно времени.

Фиг.9 - логическая блок-схема процедуры аппроксимации кривой.

Фиг.10 - логическая блок-схема процедуры генерации разностей фаз.

Фиг.11A-11D, 12A-12D и 13A-13D - напряжения возбудителя и датчика при пуске системы.

Фиг.14 - логическая блок-схема процедуры измерения частоты, амплитуды и фазы данных датчиков с использованием метода синхронной модуляции.

Фиг.15A и 15B - блок-схемы массового расходомера.

Фиг.16 - логическая блок-схема процедуры, реализованной измерителем, показанным на фиг.15A и 15B.

Фиг.17 - управление логарифма амплитуды передаточной функции.

Фиг.18 - диаграмма корневого годографа.

Фиг.19A-19D - графики производительности аналого-цифрового преобразователя относительно температуры.

Фиг.20A-20C - графики измерений фазы.

Фиг.21A и 21B - графики измерений фазы.

Фиг.22 - логическая блок-схема процедуры компенсации смещения нуля.

Фиг.23A-23C, 24A и 24B - графики измерений фазы.

Фиг.25 - график напряжения датчика.

Фиг.26 - логическая блок-схема процедуры компенсации динамических эффектов.

Фиг.27A-35E - графики, демонстрирующие применение процедуры, показанной на фиг.29.

Фиг.36A-36L - графики, демонстрирующие измерение фазы.

Фиг.37A - график напряжений датчиков.

Фиг.37B и 37C - графики измерений фазы и частоты, соответствующих напряжениям датчиков, показанным на фиг.37A.

Фиг.37D и 37E - графики параметров коррекции для измерений фазы и частоты, показанных на фиг.37B и 37C.

Фиг.38A-38H - графики необработанных измерений.

Фиг.39A-39H - графики скорректированных измерений.

Фиг.40A-40H - графики, демонстрирующие поправку на аэрацию.

Фиг.41 - блок-схема, демонстрирующая эффект аэрации в трубопроводе.

Фиг.42 - логическая блок-схема процедуры регулировки настройки.

Фиг.43A-43C - графики, демонстрирующие применение процедуры, показанной на фиг.41.

Фиг.44 - график, позволяющий сравнить производительность цифрового и аналогового расходомеров.

Фиг.45 - логическая блок-схема, демонстрирующая работу измерителя с автоматической проверкой.

Фиг.46 - блок-схема двухпроводного цифрового массового расходомера.

Фиг.47A-47C - графики, демонстрирующие отклик цифрового массового расходомера в условиях влажности и пустоты.

Фиг.48A - диаграмма, демонстрирующая результаты испытаний дозирования из пустого состояния.

Фиг.48B - схема экспериментальной гидродинамической установки.

Фиг.49 - график, демонстрирующий ошибки массового расхода относительно перепада наблюдаемой плотности.

Фиг.50 - график, демонстрирующий остаточные ошибки массового расхода после применения поправок.

Фиг.51 - график, демонстрирующий оперативный отклик цифрового массового расходомера с автоматической проверкой на наступление двухфазного потока.

Фиг.52 - блок-схема цифрового контроллера, реализующего процессор нейронной сети, который можно использовать с цифровым массовым расходомером.

Фиг.53 - логическая блок-схема метода реализации нейронной сети для прогнозирования ошибки массового расхода и генерации коэффициента коррекции ошибок для коррекции сигнала измерения массового расхода при обнаружении двухфазного потока.

Фиг.54 - трехмерный график, демонстрирующий изменения затухания в условиях двухфазного потока.

Фиг.55 - компьютерный интерфейс экспериментальной гидродинамической установки.

Фиг.56 - трехмерный график, демонстрирующий истинную ошибку массового расхода в условиях двухфазного потока.

Фиг.57 - трехмерный график, демонстрирующий скорректированную ошибку массового расхода в условиях двухфазного потока.

Фиг.58 - график, позволяющий сравнить нескорректированный сигнал измерения массового расхода с сигналом измерения массового расхода, скорректированным нейронной сетью.

Фиг.59 - логическая блок-схема процедуры компенсации ошибки в условиях многофазного потока.

Фиг.60 - блок-схема цифрового контроллера, реализующего процессор нейронной сети, который можно использовать с цифровым массовым расходомером для потоков многофазной текучей среды.

Фиг.61 - логическая блок-схема способа реализации нейронной сети для прогнозирования ошибки массового расхода и генерации коэффициента коррекции ошибок для коррекции сигнала измерения массового расхода, при ожидании и/или обнаружении многофазных потоков.

Фиг.62 - графическое представление таблицы испытаний для устий скважины, испытываемых на основании фактических испытаний при различных давлениях в скважине и скоростях газа.

Фиг.63 - графическое представление необработанных ошибок плотности при различных процентах жидкостной пустотной доли и для скважин при различных скоростях и давлениях.

Фиг.64 - графическое представление необработанных ошибок массового расхода при различных процентах жидкостной пустотной доли и для скважин при различных скоростях и давлениях.

Фиг.65 - графическое представление необработанной жидкостной пустотной доли ошибки для скважин при различных скоростях и давлениях.

Фиг.66 - графическое представление необработанного объемного расхода ошибки для скважин при различных скоростях и давлениях.

Фиг.67 - графическое представление скорректированных жидкостных пустотных долей для скважин при различных скоростях и давлениях.

Фиг.68 - графическое представление скорректированного объемного расхода смеси для скважин при различных скоростях и давлениях.

Фиг.69 - графическое представление скорректированного массового расхода газа для скважин при различных скоростях и давлениях.

Фиг.70 - графическое представление скорректированной интегральной вероятности газа испытуемого цифрового расходомера.

Фиг.71 - графическое представление скорректированной ошибки массового расхода жидкости для скважин при различных скоростях и давлениях.

Фиг.72 - графическое представление скорректированной интегральной вероятности газа испытуемого цифрового расходомера.

Осуществление изобретения

Обеспечены методы учета эффектов многофазного потока, например, в цифровом расходомере. Многофазный поток может представлять собой, например, двухфазный поток или трехфазный поток. В общем случае, двухфазный поток представляет собой текучую среду, который включает в себя две(а) фазы или компонента. Например, двухфазный поток может включать в себя фазу, которая включает в себя негазообразную текучую среду (например, жидкость) и фазу, которая включает в себя газ. Трехфазный поток представляет собой текучую среду, которая включает в себя три фазы. Например, трехфазный поток может представлять собой текучую среду с газовой фазой и двумя негазообразными жидкостями. Например, трехфазный поток может включать в себя природный газ, нефть и воду. Двухфазный поток может включать в себя, например, природный газ и нефть.

Хотя цифровой расходомер продолжает работать при наличии многофазной текучей среды, любые свойства (например, массовый расход и плотность многофазной текучей среды), определяемые цифровым расходомером, могут быть неточными, поскольку определение этих свойств с использованием традиционных методов, в общем случае, основано на предположении, что текучая среда, текущая через расходомер, является однофазный. Таким образом, даже если текучая среда не является однофазной текучей средой, расходомер может продолжать работать и генерировать наблюдаемые значения свойств, например, массового расхода и плотности многофазной текучей среды. Как описано ниже согласно фиг.59-72, в одном варианте реализации, параметры, например, массовый расход и плотность каждой фазы многофазного потока можно определить из наблюдаемого массового расхода и наблюдаемой плотности многофазной текучей среды. В частности, как рассмотрено более подробно ниже, в одном варианте реализации, одно или несколько промежуточных значений, например, объемной доли жидкости и объемного расхода или газовое и негазовое числа Фруда, определяются из наблюдаемого массового расхода и наблюдаемой плотности многофазной текучей среды, и промежуточное(ые) значение(я) можно корректировать с учетом наличия множественных фаз в текучей среде с использованием нейронной сети или другого отображения. Массовый расход и плотность каждой фазы многофазной текучей среды можно определить из скорректированного(ых) промежуточного(ых) значения(й). Использование промежуточного(ых) значения(й) вместо массового расхода и плотности многофазной текучей среды позволяет повысить точность определения массового расхода и плотности каждой фазы многофазной текучей среды.

Прежде, чем начать описывать методы со ссылкой на фиг.59, рассмотрим цифровые расходомеры со ссылкой на фиг.1-39. Различные методы учета эффектов многофазного потока, например, в цифровом расходомере рассматриваются, начиная с фиг.40.

Согласно фиг.1, цифровой массовый расходомер 100 включает в себя цифровой контроллер 105, один или несколько датчиков движения 110, один или несколько возбудителей 115, трубопровод 120 (также именуемый трубкой Вентури) и датчик температуры 125. Цифровой контроллер 105 можно реализовать с использованием одного или нескольких из, например, процессора, вентильной матрицы, программируемой пользователем, ASIC, другой программируемой логики или вентильной матрицы, или программируемой логики с ядром процессора. Цифровой контроллер генерирует измерение массового расхода через трубопровод 120 на основании, по меньшей мере, сигналов, принятых от датчиков движения 110. Цифровой контроллер также предписывает возбудителям 115 создавать движение в трубопроводе 120. Это движение воспринимается датчиками движения 110.

Массовый расход через трубопровод 120 связан с движением, возбуждаемым в трубопроводе вследствие приложения движущей силы, вырабатываемой возбудителями 115. В частности, массовый расход связан с фазой и частотой движения, а также с температурой трубопровода. Цифровой массовый расходомер также может обеспечивать измерение плотности материала, текущего через трубопровод. Плотность связана с частотой движения и температурой трубопровода. Многие из описанных методов применимы к денситометру, который обеспечивает измерение плотности, а не измерение массового расхода.

Температура в трубопроводе, которая измеряется с использованием датчика 125 температуры, влияет на некоторые свойства трубопровода, например, его жесткость и размеры. Цифровой контроллер компенсирует эти температурные эффекты. Температура цифрового контроллера 105 влияет, например, на рабочую частоту цифрового контроллера. В общем случае, эффекты температуры контроллера достаточно малы, поэтому ими можно пренебречь. Однако, в ряде случаев, цифровой контроллер может измерять температуру контроллера с использованием полупроводникового устройства и может компенсировать эффекты температуры контроллера.

A. Механическая конструкция

В одном варианте реализации, который показан на фиг.2A и 2B, трубопровод 120 имеет конструкцию, позволяющую вставлять его в магистральную трубу (не показана), небольшая часть которой удалена или зарезервирована для размещения трубопровода. Трубопровод 120 включает в себя монтажные фланцы 12 для подключения к магистральной трубе и центральный коллекторный блок 16, поддерживающий два параллельных плоских контура 18 и 20, которые ориентированы перпендикулярно магистральной трубе. Электромагнитные возбудители 46 и датчики 48 присоединены между концами обоих контуров 18 и 20. Каждый из двух возбудителей 46 соответствует возбудителю 115, показанному на фиг.1, и каждый из двух датчиков 48 соответствует датчику 110, показанному на фиг.1.

Возбудители 46 на противоположных концах контуров питаются током равной амплитуды, но противоположного знака (т.е., токами, сдвинутыми по фазе на 180°), что заставляет прямолинейные участки 26 контуров 18, 20 поворачиваться относительно компланарного им перпендикулярного бисектора 56, который пересекается с трубой в точке P (фиг.2B). Повторяющееся обращение (например, по синусоидальному закону) тока питания, подаваемого на возбудители, заставляет каждый прямолинейный участок 26 совершать колебательное движение, заметая фигуру в виде галстука-бабочки в горизонтальной плоскости вокруг линии 56-56, которая является осью симметрии контура. Полный поперечный размах контуров на нижних закругленных витках 38 и 40 невелик, порядка 1/16 дюйма для двухфутового прямолинейного участка 26 трубы, имеющей диаметр один дюйм. Частота колебаний обычно составляет примерно от 80 до 90 Гц.

B. Движение трубопровода

Движение прямолинейных участков контуров 18 и 20 показано в трех режимах на фиг.3A, 3B и 3C. В режиме возбуждения, показанном на фиг.3B, контуры возбуждаются со сдвигом фазы 180° относительно их соответствующих точек P, в результате чего два контура поворачиваются синхронно, но в противоположном направлении. Поэтому, соответствующие концы, например A и C периодически сближаются и отдаляются.

Возбуждающее движение, показанное на фиг.3B, порождает движение в кориолисовом режиме, показанное на фиг.3A, которое осуществляется в противоположных направлениях между контурами и, в результате которого, прямолинейные участки 26 слегка перемещаются друг к другу (или друг от друга). Эффект Кориолиса непосредственно связан с mvW, где m - масса материала в поперечном сечении контура, v - скорость, с которой движется масса (объемный расход), W - угловая скорость контура (W = W ₀sinωt), и mv - массовый расход. Эффект Кориолиса максимален, когда два прямолинейных участка возбуждаются синусоидально и имеют синусоидально изменяющуюся угловую скорость. При этих условиях, эффект Кориолиса сдвинут по фазе на 90° относительно сигнала возбуждения.

На фиг.3C показано движение в нежелательном общем режиме, при котором контуры отклоняются в одном и том же направлении. Этот тип движения может порождаться осевой вибрацией в магистральной трубе в примере, показанном на фиг.2A и 2B, поскольку контуры перпендикулярны магистральной трубе.

Тип колебаний, показанный на фиг.3B, называется антисимметричным режимом, а кориолисов режим, показанный на фиг.3A, называется симметричным режимом. Собственная частота колебаний в антисимметричном режиме зависит от торсионной упругости отводов. Обычно резонансная частота антисимметричного режима для трубопроводов, форма которых показана на фиг.2A и 2B, выше резонансной частоты симметричного режима. Для снижения чувствительности к шуму при измерении массового расхода, желательно довести до максимума силу Кориолиса при данном массовом расходе. Как отмечено выше, контуры возбуждаются на своей резонансной частоте, а сила Кориолиса непосредственно связана с частотой, на которой колеблются контуры (т.е., угловой скоростью контуров). Соответственно, контуры возбуждаются в антисимметричном режиме, который обычно имеет более высокую резонансную частоту.

Другие варианты реализации могут включать в себя другие конструкции трубопровода. Например, в качестве трубопровода можно применять единичный контур или отрезок прямой трубы.

C. Электронная конструкция

Цифровой контроллер 105 определяет массовый расход путем обработки сигналов, вырабатываемых датчиками 48 (т.е., датчиками движения 110), расположенными на противоположных концах контуров. Сигнал, вырабатываемый каждым датчиком, включает в себя компонент, соответствующий относительной скорости, на которой контуры возбуждаются возбудителем, расположенным после датчика, и компонент, соответствующий относительной скорости контуров, обусловленной силами Кориолиса, создаваемыми в контурах. Контуры возбуждаются в антисимметричном режиме, поэтому компоненты сигналов датчиков, соответствующие скорости возбуждения, равны по величине, но противоположны по знаку. Результирующая сила Кориолиса действует в симметричном режиме, поэтому компоненты сигналов датчиков, соответствующие кориолисовой скорости, равны по величине и знаку. Таким образом, вычитание сигналов нейтрализует компоненты кориолисовой скорости и дает разность, которая пропорциональна скорости возбуждения. Аналогично, суммирование сигналов нейтрализует компоненты скорости возбуждения и дает сумму, которая пропорциональна кориолисовой скорости, которая, в свою очередь, пропорциональна силе Кориолиса. Затем эту сумму можно использовать для определения массового расхода.

1. Аналоговая система управления

Цифровой массовый расходомер 100 обеспечивает значительные преимущества над традиционными, аналоговыми массовыми расходомерами. Для использования в дальнейшем рассмотрении, на фиг.4 показана аналоговая система 400 управления традиционного массового расходомера. Каждый датчик 48 выдает сигнал напряжения, причем сигнал V_A0 создается датчиком 48a, и сигнал V_B0 создается датчиком 48b. V_A0 и V_B0 соответствуют скорости контуров относительно друг друга в положениях датчиков. До обработки, сигналы V_A0 и V_B0 усиливаются на соответствующих входных усилителях 405 и 410 для создания сигналов V_A1 и V_B1. Для коррекции дисбаланса на усилителях и датчиках, входной усилитель 410 имеет переменный коэффициент усиления, который регулируется сигналом баланса, поступающим из контура обратной связи, который содержит синхронный демодулятор 415 и интегратор 420.

На выходе усилителя 405, сигнал V_A1 имеет вид:

и, на выходе усилителя 410, сигнал V_B1 имеет вид:

где V_D и V_C являются, соответственно, напряжением возбуждения и кориолисовым напряжением, и ω - круговая частота режима возбуждения.

Напряжения V_A1 и V_B1 дифференцируются операционным усилителем 425 для создания сигнала

где V_DRV соответствует возбуждающему движению и используется для питания возбудителей. Помимо питания возбудителей, V_DRV поступает на детектор 430 пересечения нуля в положительном направлении, который создает выходную прямоугольную волну F_DRV, частота которой соответствует частоте сигнала V_DRV (ω = 2F_DRV). F_DRV используется в качестве входного сигнала цифровой схемы 435 фазовой автоподстройки частоты. F_DRV также поступает на процессор 440.

Напряжения V_A1 и V_B1 суммируются операционным усилителем 445 для создания сигнала

где V_COR связан с возбуждаемым кориолисовым движением.

V_COR поступает на синхронный демодулятор 450, который создает выходное напряжение V_M, которое прямо пропорционально массе, отбрасывая компоненты V_COR, которые не имеют той же частоты, что и стробирующий сигнал Q, и не синфазны с ним. Схема 435 фазовой автоподстройки частоты создает Q, который является квадратурным опорным сигналом, имеющим такую же частоту (ω), как V_DRV, и на 90° сдвинут по фазе относительно V_DRV (т.е., синфазен с V_COR). Соответственно, синхронный демодулятор 450 отбрасывает частоты, отличные от ω, поэтому V_M соответствует амплитуде V_COR на ω. Эта амплитуда прямо пропорциональна массе в трубопроводе.

V_M поступает на преобразователь 455 напряжения в частоту, который создает сигнал F_M прямоугольной волны, частота которого соответствует амплитуде сигнала V_M. Затем процессор 440 делит F_M на F_DRV для создания измерения массового расхода.

Цифровая схема 435 фазовой автоподстройки частоты также создает опорный сигнал I, синфазный с V_DRV и используемый для стробирования синхронного демодулятора 415 в контуре обратной связи, управляющем усилителем 410. Когда коэффициенты усиления входных усилителей 405 и 410, умноженные на компоненты возбуждения соответствующих входных сигналов, равны, операция суммирования на операционном усилителе 445 создает нулевой компонент возбуждения в сигнале V_COR (т.е., не существует сигнала синфазного с V_DRV). Когда коэффициенты усиления входных усилителей 405 и 410 не равны, компонент возбуждения существует в V_COR. Этот компонент возбуждения извлекается синхронным демодулятором 415 и интегрируется интегратором 420 для генерации напряжения ошибки, которое корректирует коэффициент усиления входного усилителя 410. Когда коэффициент усиления слишком высок или слишком низок, синхронный демодулятор 415 создает выходное напряжение, в соответствии с которым интегратор изменяет напряжение ошибки, которое изменяет коэффициент усиления. Когда коэффициент усиления достигает желаемого значения, выходной сигнал синхронного модулятора достигает нуля, и напряжение ошибки перестает изменяться для поддержания желаемого значения коэффициента усиления.

2. Цифровая система управления

На фиг.5 показана блок-схема варианта реализации 500 цифрового массового расходомера 100, который включает в себя трубопровод 120, возбудители 46 и датчики 48, показанные на фиг.2A и 2B, совместно с цифровым контроллером 505. Аналоговые сигналы от датчиков 48 преобразуются в цифровые сигналы аналого-цифровыми ("А/Ц") преобразователями 510 и поступают на контроллер 505. А/Ц преобразователи можно реализовать в виде отдельных преобразователей или в виде отдельных каналов единого преобразователя.

Цифроаналоговые ("Ц/А") преобразователи 515 преобразуют цифровые сигналы управления от контроллера 505 в аналоговые сигналы для возбуждения возбудителей 46. Использование отдельного сигнала возбуждения для каждого возбудителя имеет ряд преимуществ. Например, система может легко переключаться между симметричным и антисимметричным режимами возбуждения в целях диагностики. В других вариантах реализации, сигналы, вырабатываемые преобразователями 515, можно усиливать с помощью усилителей до подачи на возбудители 46. В еще других вариантах реализации возможно использование единого Ц/А преобразователя для создания сигнала возбуждения, подаваемого на оба возбудителя, причем сигнал возбуждения инвертируется до подачи на один из возбудителей для возбуждения трубопровода 120 в антисимметричном режиме.

Высокоточные резисторы 520 и усилители 525 используются для измерения тока, подаваемого на каждый возбудитель 46. А/Ц преобразователи 530 преобразуют измеренный ток в цифровые сигналы и выдают цифровые сигналы на контроллер 505. Контроллер 505 использует измеренные токи при генерации сигналов возбуждения.

Датчики 535 температуры и датчики 540 давления измеряют, соответственно, температуру и давление на входе 545 и выходе 550 трубопровода. А/Ц преобразователи 555 преобразуют измеренные значения в цифровые сигналы и выдают цифровые сигналы на контроллер 505. Контроллер 505 использует измеренные значения по-разному. Например, разность между измеренными давлениями можно использовать для определения противодавления в трубопроводе. Поскольку жесткость трубопровода изменяется в зависимости от противодавления, контроллер может учитывать жесткость трубопровода на основании определяемого противодавления.

Дополнительный датчик температуры 560 измеряет температуру кварцевого генератора 565, используемого А/Ц преобразователями. А/Ц преобразователь 570 преобразует это измерение температуры в цифровой сигнал для использования контроллером 505. Соотношение между входом и выходом А/Ц преобразователей изменяется в зависимости от рабочей частоты преобразователей, и рабочая частота изменяется в зависимости от температуры кварцевого генератора. Соответственно, контроллер использует измерение температуры для регулировки данных, обеспеченных А/Ц преобразователями, или при калибровке системы.

В варианте реализации, показанном на фиг.5, цифровой контроллер 505 обрабатывает оцифрованные сигналы датчиков, вырабатываемые А/Ц преобразователями 510 согласно процедуре 600, показанной на фиг.6, для генерации измерения массового расхода и сигнала возбуждения, подаваемого на возбудители 46. Первоначально, контроллер собирает данные от датчиков (этап 605). С использованием этих данных, контроллер определяет частоту сигналов датчиков (этап 610), устраняет смещение нуля из сигналов датчиков (этап 615) и определяет амплитуду (этап 620) и фазу (этап 625) сигналов датчиков. Контроллер использует эти вычисленные значения для генерации сигнала возбуждения (этап 630) и для генерации массового расхода и других измерений (этап 635). После генерации сигналов возбуждения и измерений, контроллер собирает новый набор данных и повторяет процедуру. Этапы процедуры 600 можно осуществлять последовательно или параллельно и можно осуществлять в изменяющемся порядке.

Вследствие соотношений между частотой, смещением нуля, амплитудой и фазой, оценку одного можно использовать для вычисления другого. Благодаря этому повторение вычислений повышает точность. Например, первоначальное определение частоты, используемое при определении смещения нуля в сигналах датчиков, можно уточнить с использованием сигналов датчиков с устраненным смещением. Кроме того, при необходимости, значения, генерируемые для периода, можно использовать в качестве начальных оценок для следующего периода.

a. Сбор данных

Для простоты рассмотрения, оцифрованные сигналы от двух датчиков будем обозначать как сигналы SV₁ и SV₂, причем сигнал SV₁ поступает от датчика 48a, а сигнал SV₂ поступает от датчика 48b. Хотя новые данные генерируются постоянно, предполагается, что вычисления основаны на данных, соответствующих одному полному периоду обоих датчиков. При значительной буферизации данных, это условие будет выполняться, пока среднее время обработки данных меньше времени на сбор данных. Задачи, подлежащие выполнению в течение периода, включают в себя принятие решения, что период завершен, вычисление частоты периода (или частот SV₁ и SV₂), вычисление амплитуд SV₁ и SV₂ и вычисление разности фаз между SV₁ и SV₂. В некоторых вариантах реализации, эти вычисления повторяются для каждого периода с использованием конечной точки предыдущего периода в качестве начала следующего периода. В других вариантах реализации, периоды перекрываются на 180° или в другой степени (например, 90°), в связи с чем период пересекается с предыдущим или следующим периодом.

На фиг.7A и 7B показаны два вектора выборочных данных из сигналов SV₁ и SV₂, которые обозначены, соответственно, sv1_in и sv2_in. Первая выборочная точка каждого вектора известна и соответствует пересечению нуля синусоидальной волной, представленной вектором. Для sv1_in, первая выборочная точка является пересечением нуля от отрицательного значения к положительному значению, тогда как для sv2_in первая выборочная точка является пересечением нуля от положительного значения к отрицательному значению.

Фактическая начальная точка периода (т.е., фактическое пересечение нуля) редко будет в точности совпадать с выборочной точкой. По этой причине, начальные выборочные точки (start_sample_SV1 и start_sample_SV2) являются выборочными точками, возникающими непосредственно до начала периода. Для учета разности между первой выборочной точкой и фактическим началом периода, подход также использует позицию (start_offset_SV1 или start_offset_SV2) между начальной выборкой и следующей выборкой, с которой фактически начинается период.

Поскольку существует сдвиг фазы между сигналами SV₁ и SV₂, sv1_in и sv2_in могут начинаться в разных выборочных точках. Если частота дискретизации и разность фаз велики, может существовать разность в несколько выборок между началом sv1_in и началом sv2_in. Эта разность обеспечивает грубую оценку сдвига фазы, и ее можно использовать для проверки вычисленного сдвига фазы, что рассмотрено ниже. Например, при дискретизации на частоте 55 кГц, одна выборка соответствует сдвигу фазы около 0,5 градусов, и один период соответствует примерно 800 выборочным точкам.

Когда контроллер использует функции, например, сумму (A+B) и разность (A-B), где B взвешена так, чтобы иметь ту же амплитуду, что и A, дополнительные переменные (например, start_sample_sum и start_offset_sum) отслеживают начало периода для каждой функции. Функции суммы и разности имеют сдвиг фазы наполовину между SV₁ и SV₂.

В одном варианте реализации, структура данных, используемая для хранения данных от датчиков, представляет собой циклический список для каждого датчика, емкость которого, по меньшей мере, вдвое превышает максимальное количество выборок в периоде. Благодаря этой структуре данных, обработка может осуществляться на данных для текущего периода, тогда как прерывания или другие методы используются для добавления данных для следу