HK1110381B - 用於校准流量计的方法和设备 - Google Patents

Description

用于校准流量计的方法和设备

技术领域

本发明涉及流量计领域，具体地涉及校准流量计。

背景技术

科里奥利(Coriolis)流量计是由美国石油协会(API)定义的“合成脉冲装置”。这只是意味着花费有限的时间量计算已经流过流量计的流量。在典型的科里奥利流量计中，花费简短但是可以测量的时间计算已经流过流量计的流量。这导致实际流量和测量流量之间的时间延迟。时间延迟的结果为流量读数与实际流量偏移或延迟了该时间延迟。在大部分应用中，该延迟不会导致问题，因为在批量(batch)结束时，在短时间等待之后，可以得到流过流量计的正确数值。

校准(proving)是一种现场标定(calibration)的方法，其中已知体积流过该流量计并与该流量计测量流量进行比较。校准仪(prover)可以是静止的，例如永久地安装为毗邻流量计，或者是车载的，使得校准仪可以标定多个流量计。典型校准仪是一种具有已知内直径的管道(104)的装置。球(ball)或活塞(102)滑入管道(104)内并穿过两个传感器(S1、S2)或检测器。第一传感器(S1)向校准仪的计算机发送信号，以开始对来自被标定的流量计的脉冲计数。该脉冲通常正比于体积流速。第二传感器(S2)向校准仪发送信号，以停止对来自被标定的流量计的脉冲计数。两个检测器之间的管道内部的体积是公知的，并经常针对压力和温度进行补偿。两个检测器之间的总体积与来自流量计的脉冲数目比较，且流量计因子由此确定。该流量计因子仅仅是应用于流量计的输出的校正因子。取决于所使用的校准仪体积和流速，已知体积穿过该流量计的测量时间为0.5秒至60秒。这个程序对于许多类型的流量计(叶轮流量计、PD流量计等)非常适用，但是由于测量流量的时间延迟而可能存在一些与合成脉冲装置有关的问题。因为测量流量与实际流量之间发生时间偏移，校准仪比较来自不同时刻的流量体积。

在标定测试期间流速的任何变化会导致不同时刻的测量流量之间的差异。流速变化的一个原因为当校准仪起动球或活塞时。当球或活塞起动时可能发生压力变化，导致流速改变。校准仪测量新的流速，且科里奥利流量计测量旧流速和新流速的权重平均值，致使两个测量之间出现误差。校准仪经常具有一个管道长度，球或活塞在交叉第一检测器之前必须经过该长度。管道的这个长度通常称为“预运行”。预运行长度等效于固定体积。预运行时间取决于流速。在高的流速下，预运行时间可能不够长以彻底稳定流速。即使在低的流速下，流过校准仪的流速可能仍未彻底稳定。对于许多类型的流量计这不是问题，但是当校准合成脉冲装置时会导致误差。

因此需要一种用于校准合成脉冲装置的系统和方法。

题为＂Method and apparatus for calibrating a flowmeterusing a master meter and a prover＂的美国专利No.5072416揭示了下述内容。双周期校准仪被用于标定要求长校准运行的流量计。小体积或活塞校准仪与主流量计和受测试的流量计串联耦合，随后依据小体积校准仪标定该主流量计，且依据该主流量计标定受测试的流量计。信号处理器组合该校准周期，从而将小体积校准仪与受测试的流量计相关联。密度计连接到流量通道，如果受测试的流量计为质量流量计，且该信号处理器使用密度测量将受测试的流量计的质量流量测量与主流量计的体积流量测量相关联。

题为＂Self-validating sensors＂的美国专利No.5774378揭示了下述内容。传感器提供一个测量以及关于该测量有效性的信息。该传感器包括用于产生与变量的值有关的数据信号的换能器，以及用于接收数据信号并产生输出信号的发送器。该发送器产生与该变量的值有关的第一输出信号。该发送器还基于对第一输出信号的动态不确定分析而产生第二输出信号。

题为＂System and method for a mass flow controller＂的美国专利公开No.20020198668揭示了下述内容。一种系统和方法，用于控制质量流量控制器以在各种不同类型的流体和工作条件下具有恒定控制环路增益，并用于配置该质量流量控制器以工作于与在生产该质量流量控制器过程中所使用的流体和/或工作条件不同的流体和/或工作条件。此外，该系统和方法包括，通过向螺线管致动装置提供非工作信号而减小该螺线管致动装置内的滞后效应，由此提供控制。

发明内容

本发明揭示了一种确定流量计内实际流量和测量流量之间的时间延迟的方法和设备。该时间延迟被用于偏移由流量计测量的流量，以对应于校准仪测量的实际流量。这样对流量计测量流量和校准仪提供的流量之间进行精确的比较。

本发明的一方面包括一种方法，包括：

确定流量计内实际流速和测量流速之间的时间延迟；

向校准装置提供所述时间延迟，所述校准装置用于校准所述流量计的流速。

优选地，该方法还包括，其中通过在流量中引入扰动，并测量该流量计多久检测到该扰动，由此确定该时间延迟。

优选地，该方法还包括，其中通过计算由于电子设备以及流量计内的滤波引起的延迟，由此确定该时间延迟。

优选地，该方法还包括，其中该流量计为科里奥利流量计。

本发明的另一方面包括一种方法，包括：

在第一时间段内向流量计提供已知数量的材料的流量；

从该流量计在第二时间段内接收测量流量数据；

从该流量计接收延迟时间，其中该延迟时间为流量计内测量流量和所提供的流量之间的时间差值；

将来自该流量计的测量流量数据偏移该延迟时间。

优选地，该方法还包括，其中该偏移数量为流量计内阻尼数量的函数。

优选地，该方法还包括，其中通过延迟指示该第一时间段开始和结束的开始和停止信号而进行该偏移。

优选地，该方法还包括，其中该流量计为科里奥利流量计。

本发明的另一方面包括一种方法，包括：

设定用于流量计的多个测量参数；

确定当流量计以所述设定测量参数工作时所述流量计内实际流速和测量流速之间的时间延迟。

优选地，该方法还包括，其中该多个测量参数包括阻尼度和工作模式。

优选地，该方法还包括，其中将该延迟时间提供给用于标定该流量计的校准仪。

优选地，该方法还包括，其中该流量计为科里奥利流量计。

优选地，该方法还包括，其中通过在流量中引入扰动，并测量该流量计多久检测到该扰动，由此确定该时间延迟。

优选地，该方法还包括，其中通过在将该多个测量参数映射到时间延迟的表中查找该时间延迟，由此确定该时间延迟。

本发明的另一个方面包括一种校准仪，包括：

具有已知直径的管道部分；

位于所述管道部分上第一位置的第一传感器；

位于所述管道部分上第二位置的第二传感器；

一种装置，配置成在所述第一位置和第二位置之间在所述管道部分内部移动；

所述第一和第二传感器，配置成当所述装置通过所述第一和第二位置时分别发送第一和第二信号；

流量计算机，配置成从所述第一和第二传感器接收第一和第二信号；

所述流量计算机还配置成从待标定的流量计接收流量测量；

所述流量计算机还配置成从待标定的流量计接收延迟时间，并配置成相对于所述第一和第二信号将接收到的流量测量偏移所述延迟时间。

优选地，在该校准仪内，通过延迟来自该第一和第二传感器的该第一和第二信号而进行该偏移。

本发明的另一个方面包括一种科里奥利流量计，包括：

一种导管，配置成容纳流动材料；

至少一个驱动器，配置成振动所述导管；

传感器，配置成测量所述振动导管的位置；

电子设备，配置成接收所述导管的测量位置并将所述测量位置转换为测量材料流速；

存储区域，配置成存储至少一个经过所述导管的实际材料流量和经过所述导管的测量材料流量之间的延迟时间。

优选地，其中该电子设备配置成工作于具有不同工作速度的至少两个模式，且在存储区域内存储了针对该两个不同模式的不同的延迟时间。

优选地，其中该电子设备配置成以至少两个阻尼度工作，且在该存储区域内存储了针对该至少两个阻尼度的一个不同的延迟时间。

本发明的另一个方面包括一种科里奥利流量计，包括：

用于振动容纳流动材料的导管的装置；

用于测量所述振动导管的相位的装置；

用于将所述测量相位转换成流量测量的装置；

用于存储延迟时间的装置，所述延迟时间表示经过所述流量计的实际流量和流量测量之间的时间延迟。

附图说明

图1A为在测量周期开始时校准仪的方框图；

图1B为在测量周期中T1时刻的校准仪的方框图；

图1C为在测量周期中T2时刻的校准仪的方框图；

图2为对于科里奥利流量计中流速阶跃变化得到的典型响应曲线；

图3为对于典型的科里奥利流量计的电子设备的方框图；

图4为使用科里奥利流量计测量的流量和使用精确流量平台(flow stand)和高速电子设备测量的流量的流速与时间的曲线；以及

图5为使用阻尼改变为0.2的科里奥利流量计测量的流量的流速与时间的曲线。

具体实施方式

图1至5和下述说明描述了特定示例，以教导本领域技术人员如何制作和使用本发明的最佳模式。出于教导发明原理的目的，一些传统方面被简化或省略。本领域技术人员将会理解落在本发明范围内的这些示例的变形。本领域技术人员将会理解，下文所描述的特征可以按照各种方式组合以形成本发明的多个变形。因此，本发明不限于下述具体示例，而是仅由权利要求及其等同特征界定.

校准仪通常是通过开始将材料流到待标定的流量计内而开始测量周期。一旦流量稳定，该校准仪释放球或活塞，其向下行进已知直径的管道的长度(见图1A)。该球或活塞行进预运行长度(如果存在)之后，在T1时刻碰到第一传感器(见图1B)。这触发校准仪内部的流量计算机开始对来自流量计的脉冲计数(即，测量流量)。当该球或活塞在T2时刻到达第二传感器时，该流量计算机停止对来自流量计的脉冲计数(见图1C)。T1和T2时刻之间计数的脉冲为由该流量计测量到的流量数量。两个传感器之间的管道内已知体积为实际流量数量。将实际流量数量与测量流量数量比较，从而确定流量计标定。在本发明的一个示范性实施方案中，将延迟δ添加到该第一和第二传感器信号.延迟时间δ为实际流量和测量流量之间的流量计内的延迟.该延迟通常是由流量计电子设备、阻尼、振动模式等引起的。在该实施方案中，当球或活塞到达第一传感器时，经过延迟时间δ之后才发送该传感器信号。直到传感器信号发出之后，校准仪才开始对来自流量计的脉冲计数。当球或活塞到达第二传感器时，经过延迟时间δ之后才发送该传感器信号。直到第二传感器信号发出之后，校准仪才停止计数脉冲。对脉冲计数的总时间TT保持相同TT＝T1-T2＝(T1+δ)-(T2+δ)，而从流量计接收的测量已经偏移了数量δ。

在本发明另一个示范性实施方案中，校准仪内的流量计算机将使用该延迟时间δ。该流量计算机将无延迟地接收该第一和第二传感器信号，但是直到经过延迟时间δ之后，流量计算机才开始或者停止对来自流量计的脉冲计数。

在各种情形中，将来自校准仪的实际流量与时间偏移了δ量的来自流量计的测量流量比较。当量δ对应于测量流量和流量计内实际流量之间的时间延迟时，则该校准仪将来自校准仪的实际流量与通过流量计的实际流量比较。按照所述另一种方式，该校准仪将测量同一时刻的体积。

该延迟时间δ将取决于流量计内电子设备的类型或修正、流速、流量计阻尼、流量计使用的振动模式、流量计几何形状等。对于不同的流量计以及对于不同的校准仪，该时间δ可能不同。在本发明一个示范性实施方案中，在标定流量计之前，设定校准仪的时间延迟。对于测量流量和实际流量之间没有时间延迟的流量计(叶轮流量计、PD流量计等)，该时间延迟δ设定为零.在本发明一个示范性实施方案中，用户可以选择被标定的流量计的类型.当流量计类型选择为具有零延迟时，该延迟时间可以自动设定为零。当选择具有非零延迟的流量计类型进行测试时，将会提示用户输入该延迟时间。在本发明另一个示范性实施方案中，待标定的流量计可以与校准仪交互，并自动地向校准仪提供恰当的延迟时间。

可以计算或者可以测量科里奥利流量计的延迟时间。为了计算该延迟，必须清楚导致该延迟的原因。图2为科里奥利流量计测量流量对实际流量的阶跃变化的典型响应曲线。该测量响应可以划分为两个部分。第一部分时间t1为固定处理延迟，在该时间段内来自科里奥利流量计的测量输出没有变化。第一时间段t1通常是由于电子设备延迟。响应曲线的第二部分时间t2近似为RC延迟函数，该函数为指数函数。第二时间段t2通常是由于滤波延迟。实际流量的变化与测量流量的变化之间的总延迟(202)为时间t1和t2的总和。

图3为科里奥利流量计的电子设备的方框图。核心处理器302从科里奥利流量计上的传感器(未示出)接收模拟信号。模数(A/D)转换器(304)对该模拟信号采样，并输出该模拟信号的数字表示。该数字信号在数字信号处理器(DSP)(306)内被处理。该信号随后被递推阻尼滤波器308滤波。用户可以改变该递推阻尼滤波器308使用的阻尼的量。该信号从核心处理器跨过MODBUS(314)链接被发送到发送器(310)。发送器(310)内的输出处理器(312)将该信号转换成用户输出信号。响应曲线中的固定处理延迟包括核心处理器(302)和DSP(306)的处理时间，跨过链接314的处理器之间通信延迟，以及由于系统内使用的阻尼量引起的延迟。该系统内的主要延迟源于信号滤波和采样速率。其他电子设备配置是可能的。例如，核心处理器和发送器可以结合成一个单元。

计算由于滤波引起的信号延迟在本领域中是公知的。例如，截止频率为1500Hz、采样频率为48KHz、且抽样率为12的8阶椭圆滤波器的延迟可以分解为两个部分，采样延迟和群延迟。滤波器的采样延迟可以计算为：采样延迟＝12(1/48KHz)＝0.25ms。群延迟可以计算为：通过滤波器的总延迟为采样延迟和群延迟之和，或者0.25+0.67＝0.92ms。对于多级滤波器，计算各级的延迟，于是总延迟为各级的延迟之和。要得到完整的系统响应，滤波器响应时间必须添加到该延迟时间。滤波器响应时间对延迟曲线的第二部分(RC部分)有贡献.滤波器响应时间可以计算为达到最大响应的63％，到达最大响应的100％等。对于来自以上示例的滤波器，滤波器响应时间为0.87ms(达63.2％)和1.02ms(达100％)。由于示例的8阶椭圆滤波器的滤波，引起的总延迟因此为：达63.2％响应时总延迟为1.79ms，以及达100％响应时总延迟为1.94ms。计算通过电子设备的其他级的延迟在本领域中也是公知的，且取决于电子设备的工作速度、待发送的数据量等。某些科里奥利流量计电子设备可以工作于两种模式。该电子设备具有工作于20Hz的正常模式和工作于100Hz的“特殊”模式。当在特殊模式时，由于工作速度更快，延迟时间通常较短。对于某些科里奥利流量计，可以改变滤波器内采用的阻尼数量。阻尼数量的任何改变会影响实际流量和测量流量之间的延迟。

在本发明一个实施方案中，可以调整阻尼的科里奥利流量计对于不同阻尼数量将具有不同的延迟时间。每次阻尼改变时，可以计算该不同的延迟时间。在另一个实施方案中，将有一个表，其中可以得到各个不同阻尼数量的预先计算的延迟时间。

确定流量数量的变化和测量流量数量之间的延迟时间的另一个方法是测量该延迟。图4为对于使用科里奥利流量计测量流量以及对于使用精确流量平台及高速电子设备测量流量的流速与时间的曲线。可以看出，该高速压力换能器测量的流量在流速上基本上出现阶跃变化。来自科里奥利流量计的测量流速(示为模拟输出)约0.4秒保持不变。测量流量花了约1.2秒到达最大流量的63％，约1.8秒到达最大流量的90％。图4为对于使用科里奥利流量计将阻尼改变为0.2时测量流量的流速与时间的曲线。对于科里奥利流量计，到达最大流速63％的响应时间已经减小为约0.5秒。

可以针对每个阻尼度以及针对不同的工作模式(即，正常和特殊模式)进行测量。针对不同模式和不同阻尼因子的延迟时间可以汇编成表，并包含在科里奥利流量计内。使用时，对应于当前流量计设定的延迟时间可以由流量计显示，或者直接提供给校准仪.使用该延迟时间，校准仪可以偏移测量流量以对应于所提供的流量，允许对该流量计进行更精确的校准。

在上述说明书中，使用科里奥利流量计描述本发明。本领域技术人员公知，本发明可以应用于其他合成脉冲装置而不限于科里奥利流量计。

Claims (11)

1.一种通过确定科里奥利流量计内实际流速和测量流速之间的时间延迟(202)而校准科里奥利流量计的方法，其特征在于：

将来自所述科里奥利流量计的所述时间延迟提供给校准装置；

利用所述时间延迟使用该校准装置校准所述科里奥利流量计。

2.根据权利要求1的方法，其中通过在流量中引入扰动，并测量所述流量计多久检测到所述扰动，由此确定所述时间延迟。

3.根据权利要求1的方法，其中通过计算由于电子设备以及所述流量计电子设备内的滤波引起的延迟，由此确定时间延迟。

4.根据权利要求1的方法，其中校准所述科里奥利流量计包括：

在第一时间段内向所述科里奥利流量计提供已知数量的材料的流量；

从所述科里奥利流量计在第二时间段内接收测量的流量数据；

从所述科里奥利流量计接收延迟时间，其中所述延迟时间为科里奥利流量计内测量流量和所提供的流量之间的时间差值；

将来自所述科里奥利流量计的测量流量数据偏移所述时间延迟。

5.根据权利要求4的方法，其中所述偏移数量为所述流量计内阻尼数量的函数。

6.根据权利要求4的方法，其中通过延迟指示所述第一时间段开始和结束的开始和停止信号而进行所述偏移。

7.一种校准仪，包括：具有已知直径的管道(104)部分；位于所述管道部分上第一位置的第一传感器(S1)；位于所述管道部分上第二位置的第二传感器(S2)；一种装置(102)，配置成在所述第一位置和第二位置之间在所述管道部分(104)内部移动；所述第一和第二传感器，配置成当所述装置通过所述第一和第二位置时分别发送第一和第二信号；流量计算机，配置成从所述第一和第二传感器接收第一和第二信号，所述流量计算机还配置成从待标定的科里奥利流量计接收流量测量，其特征在于：

所述流量计算机还配置成从待标定的科里奥利流量计接收延迟时间，并配置成相对于所述第一和第二信号将接收到的流量测量偏移所述延迟时间。

8.根据权利要求7的校准仪，其中通过延迟来自所述第一和第二传感器的所述第一和第二信号而进行所述偏移。

9.根据权利要求7的校准仪，其中当所述科里奥利流量计工作于第一模式时，所述校准仪接收具有第一数值的所述延迟时间，且当所述科里奥利流量计工作于第二模式时，所述校准仪接收具有第二数值的所述延迟时间。

10.根据权利要求9的校准仪，其中所述科里奥利流量计在所述第一模式时工作于第一速度，在所述第二模式时工作于第二速度。

11.根据权利要求9的校准仪，其中所述科里奥利流量计在所述第一模式时具有第一阻尼率，在所述第二模式时具有第二阻尼率。