超声流量计量系统和方法技术方案

一种用于粘性流体的超声流量计量的系统和方法。在一个实施方式中，超声流量计量系统包括超声流量计、流量调节器和渐缩管。超声流量计包括一对超声换能器，一对超声换能器设置成交换穿过在换能器之间流动的流体流的超声信号。流量调节器布置在超声流量计的上游。渐缩管布置在流量调节器与超声流量计之间，以减小从流量调节器流向超声流量计的流体流的横截面积。

【技术实现步骤摘要】
具有层流向湍流的过渡流动控制的超声流量计量系统和方法
本专利技术涉及一种用于粘性流体的超声流量计量的系统，还涉及一种用于超声计量的方法。
技术介绍
烃流体通过管道从一个地方输送至另一地方。期望准确地得知管道中流动的流体的量，并且当流体转手时或“密闭输送”时，要求特定的精度。然而，即使在未发生密闭输送的情况下也期望计量准确性，并且在这些情况下，可使用流量计。超声流量计是可被用于测量管道中流动的流体的量的一种类型的流量计。超声流量计具有用于密闭输送所需的足够的精度。在超声流量计中，声学信号穿过需测量的流体流被来回发送。基于接收到的声学信号的参数，计算出流量计中的流体流速。流动通过流量计的流体的体积可从计算出的流速和流量计的已知横截面积来确定。超声流量计处的流速的准确测量需要发展良好的流动分布。常规的超声流量测量系统通过在超声流量计的上游定位延长的直管或流量调节装置而提供这种流动分布。
技术实现思路
本文公开了用于粘性流体的超声流量计量的系统和方法。在一个实施方式中，超声流量计量系统包括超声流量计、流量调节器和渐缩管。渐缩管为一种将管从上游大内径过渡至下游小内径的设备。超声流量计包括一对超声换能器，一对超声换能器设置成交换穿过在换能器之间流动的流体流的超声信号。流量调节器布置在超声流量计的上游。渐缩管布置在流量调节器与超声流量计之间，以减小从流量调节器流向超声流量计的流体流的横截面积。在另一实施方式中，一种方法包括将渐缩管的下游端连接至超声流量计的上游端，并且将渐缩管的上游端连接至流量调节器的下游端。渐缩管的下游端的内横截面积小于渐缩管的上游端的内横截面积。在再一实施方式中，超声流量计量系统包括流量调节器、渐缩管和超声流量计。流量调节器联接至渐缩管的上游端，超声流量计联接至渐缩管的下游端。流量调节器和渐缩管调节流过超声流量计的流体流，使得超声流量计在流体流具有小于5000的雷诺数时以小于百分之0.2的误差测量流体流的速度。附图说明为了详细地描述本专利技术的示例性实施方式，现在参照附图，在附图中：图1示出说明层流流体流、过渡流体流和湍流流体流的流动分布的曲线；图2示出层流流体流、过渡流体流和湍流流体流的示例性百分比误差特性的曲线；图3示出根据本文中所公开的原理提供对层流至湍流流动过渡的控制的用于测量粘性流体的超声测量系统；图4示出根据本文中所公开的原理的超声流量计的截面俯视图；图5示出根据本文中所公开的原理的四路超声流量计的端视图；图6示出根据本文中所公开的原理的超声流量计量系统的体积流量测量值的误差的变化与雷诺数的曲线图；图7示出根据本文中所公开的原理的超声流量计量系统的计算的分布因数和实际的分布因数的变化与雷诺数的曲线图；图8示出流体的实际雷诺数与通过根据本文中所公开的原理的超声流量计量系统计算的雷诺数相比较的曲线；图9示出根据本文中所公开的原理的计算的雷诺数的误差与实际雷诺数的曲线；图10示出流体的实际运动粘度与通过根据本文中所公开的原理的超声流量计量系统计算的运动粘度的曲线；图11示出根据本文中所公开的原理的计算的运动粘度的误差与雷诺数的曲线；图12示出根据本文中所公开的原理的超声流量计的电路的框图；图13示出根据本文中所公开的原理的超声流量计的流量处理器的框图；以及图14示出用于利用根据本文中所公开的原理的超声流量计测量粘性液体的方法的流程图。具体实施方式标记和术语在以下的讨论中以及在权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放的方式被使用，并因而应当被解释为意味着“包括，但不限于……”。另外，术语“联接”旨在表示间接或直接的连接。因此，如果第一装置联接至第二装置，则该连接可能通过直接连接，或者通过经由其他装置和连接件而完成的间接连接。引述“基于”旨在表示“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，则X可能基于Y和任何数量的其他因素。术语“流体”包括液体和气体。详细说明以下描述针对本专利技术的各种示例性实施方式。附图并非必须成比例。实施方式的某些特征可以以放大的比例示出，或以稍示意性的形式示出，并且常规元件的一些细节可出于清楚简明起见而不示出。所公开的实施方式不应被解释为或另外地用于限制包括权利要求的本公开的范围。另外，本领域技术人员将理解的是，以下描述具有广泛的应用，并且任何实施方式的讨论仅意味着实施方式的示例，且并非旨在暗示包括权利要求的本公开的范围，也并非旨在限制于该实施方式。应当全面认识到，以下所讨论的实施方式的不同教示可分开地应用，或者以任何适当的组合应用以产生期望的结果。另外，各个实施方式在测量烃流体(例如，原油或炼制品)的背景中被研发，并且描述是从研发背景中得出的；但是，所描述的系统和方法同等地应用于任何流体流的测量。常规的超声液流计量系统可包括位于流量调节器的上游的管缩径部，即位于向流量计提供流体流的一定长度(例如，八个管直径)的直管的上游。这种常规系统足以用于利用超声流量计为湍流状态下的液体提供流量测量。然而，这种系统不足以用于测量与高粘度流体相关联的非湍流状态的流体。这种系统——其利用在线流量调节装置——同样引入显著地增大工作流体的粘度的压降。以适中的速度流过管道的低粘度的液流被称为“湍流”。湍流具有唯一良好限定的速度分布。类似地，以低速流动的非常高粘度的液流被称为“层流”。层流具有与湍流不同的速度分布。当在高粘度流体中的流动速度从0增加时，根据系统参数，流动状态从层流改变成湍流。从层流到湍流的改变并不突然，并且发生在流速的很宽的范围内。在该状态改变期间的流动的状态已知为“过渡”流。过渡区域中的速度分布通常并非良好地限定并且可能是不稳定的。图1示出在具有圆形横截面的管中的说明性的过渡流、层流以及湍流的速度分布图。在具有非圆形横截面的管中的速度分布图类似于所示出的速度分布图。不同的流动状态能够通过被称作雷诺数(Re)的无量纲参数来区分，该雷诺数(Re)定义为：其中：U为穿过管道横截面的平均速度；d为内管径；以及v为流体的运动粘度。在雷诺数低于大约2300时流动为层流，在雷诺数大于大约5000时为湍流，以及当雷诺数在2300与5000之间时为过渡流。在过渡流区域内，流动特征在层流与湍流之间快速地变化。因此，流动的速度分布在被称为间歇行为的层流速度分布与湍流速度分布之间快速地波动。时均过渡速度分布(timeaveragedtransitionalvelocityprofile)可以根据在特定的雷诺数处的间隙性来采取一种形状。过渡流平均速度分布的间歇性特性使得利用常规设置的液体超声流量计量系统很难获得稳定的流量测量。在这些情况下，流速测量误差曲线是高度非线性的。图2示出层流流体流、过渡流体流以及湍流流体流的示例性误差百分比特征的曲线图。该误差在初始湍流区域内是均匀的和线性的，而在层流区域和过渡区域内是非均匀的和非线性的。因此，随着雷诺数的减小，使用常规的液体超声流量计量系统在测得体积流量中的误差百分比增大而超过了用于密闭输送应用可允许的限度。本公开的实施方式包括液体超声流量计量系统，该液体超声流量计量系统将液体超声流量测量的线性度扩展到具有小于1000的雷诺数的流体。与此相反，常规的超声系统的线性度被限制在具有大于约5000的雷诺数的流体。因此，实施方式可以应用于诸如具有相对较低的雷诺数的重质原油本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声流量计量系统，包括：超声流量计，所述超声流量计包括一对超声换能器，所述一对超声换能器设置成交换穿过在所述换能器之间流动的流体流的超声信号；流量调节器，所述流量调节器布置在所述超声流量计的上游；以及渐缩管，所述渐缩管布置在所述流量调节器与所述超声流量计之间，以减小从所述流量调节器流向所述超声流量计的所述流体流的横截面积。

【技术特征摘要】
2013.02.27 US 13/778,8721.一种超声流量计量系统，包括：超声流量计，所述超声流量计包括一对超声换能器，所述一对超声换能器设置成交换穿过在所述一对超声换能器之间流动的流体流的超声信号；流量调节器，所述流量调节器布置在所述超声流量计的上游；渐缩管，所述渐缩管布置在所述流量调节器与所述超声流量计之间，以减小从所述流量调节器流向所述超声流量计的所述流体流的横截面积；扩张器，所述扩张器布置在所述流量调节器的上游；以及第一计算逻辑，所述第一计算逻辑构造成利用基于所述流体流的瞬时分布因数和流量计因数的修正值计算通过所述超声流量计的体积流量，其中，流量计因数是在预定的时间周期内排放的基准体积与通过所述超声流量计排放的体积的比值。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流量调节器和所述渐缩管调节所述流体流，使得所述超声流量计以小于百分之0.2的误差测量所述流体流的速度，其中，所述流体流具有小于1000的雷诺数。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流量调节器和所述渐缩管调节所述流体流，使得所述超声流量计以小于百分之0.2的误差测量所述流体流的速度，并且所述流体流具有不大于500的雷诺数。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述渐缩管为包括8度至16度的范围内的渐缩角的同心文丘里渐缩管。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流量调节器和所述渐缩管调节所述流体流，使得所述流体流的分布因数在所述流体流的过渡流动期间变化，下限为约1.18并且上限为约1.8。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流量调节器和所述渐缩管将所述系统中的压力损失相对于包括具有与流量计的直径相等的直径的流量调节器的流量计量系统而言减小百分之75以上。7.根据权利要求1所述的系统，还包括第二计算逻辑，所述第二计算逻辑构造成在过渡流动期间基于所述流体流的瞬时分布因数计算所述流体流的雷诺数和粘度。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第二计算逻辑构造成以小于百分之5的误差计算所述雷诺数和粘度；其中，所述流体流具有从500至5500范围内的雷诺数。9.根据权利要求1所述的系统，还包括所述渐缩管与所述超声流量计的连接部，所述连接部包括不大于64微英寸的表面粗糙高度。10.一种用于超声计量的方法，包括：将渐缩管的下游端连接至超声流量计的上游端；将所述渐缩管的上游端连接至流量调节器的下游端，其中，所述渐缩管的所述下游端的内横截面积小于所述渐缩管的所述上游端的内横截面积；经由管部段将扩张器的下游端连接至所述流量调节器，所述管部段的长度为至少三个管径；以及利用基于流过所述超声流量计的流体流的瞬时分布因数和流量计因数的修正值计算通过所述超声流...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕思塔格·贾亚姆帕蒂·阿努拉达·普里亚达尔沙纳，德鲁·S·韦弗，彼得·西尔尼克，代尔·古德森，
申请(专利权)人：丹尼尔测量和控制公司，
类型：发明
国别省市：美国;US