способ диагностики шероховатости трубопровода и ультразвуковой расходомер

Формула изобретения

1. Ультразвуковой расходомер, содержащий измерительную секцию, через которую проходит поток жидкости или газа, и первую пару пьезоэлектрических преобразователей, механически соединенных с измерительной секцией и акустически связанных с потоком жидкости/газа, содержащую верхний по потоку преобразователь и связанный с ним нижний по потоку преобразователь, определяющие соединяющую их первую хорду, отличающийся тем, что он

дополнительно включает вторую, третью и четвертую пары преобразователей, механически связанных с измерительной секцией и акустически связанных с потоком жидкости/газа, содержащие верхний по потоку преобразователь и связанный с ним нижний по потоку преобразователь, определяющие соединяющую их вторую, третью и четвертую хорды, а также средство определения диагностических данных на основе информации об акустических сигналах, передаваемых между преобразователями первой, второй, третьей и четвертой пар преобразователей, причем диагностические данные включают асимметрию потока жидкости/газа через измерительную секцию, поперечный поток жидкости/газа в измерительной секции и коэффициент профиля скоростей жидкости/газа в измерительной секции, и средство определения изменений шероховатости поверхности трубопровода, механически соединенного с ультразвуковым расходомером, на основе изменений диагностических данных, причем изменения включают в основном постоянные значения величин асимметрии и поперечного потока, приблизительно равные единице, и в основном переменное значение коэффициента профиля скоростей.

2. Ультразвуковой расходомер по п.1, отличающийся тем, что диагностические данные дополнительно включают профиль скоростей потока жидкости/газа в измерительной секции, причем профиль скоростей содержит дополнительную информацию об изменении шероховатости поверхности трубопровода.

3. Ультразвуковой расходомер по п.1, отличающийся тем, что диагностические данные дополнительно включают турбулентность потока жидкости/газа в измерительной секции, а данные о турбулентности содержат дополнительную информацию об изменении шероховатости поверхности трубопровода.

4. Ультразвуковой расходомер по п.3, отличающийся тем, что турбулентность потока жидкости/газа в измерительной секции определяется из следующего уравнения:



где t - разность между временем t₁ прохождения сигнала в направлении по потоку и временем t₂ прохождения сигнала в направлении против потока, которая определяется из следующего уравнения:

t=t₂-t₁,

a t - среднеквадратичное отклонение величины t.

5. Ультразвуковой расходомер по п.1, отличающийся тем, что первая, вторая, третья и четвертая хорды расположены на изменяемых радиальных расстояниях внутри измерительной секции.

6. Ультразвуковой расходомер по п.5, отличающийся тем, что диагностические данные дополнительно включают профиль скоростей потока жидкости/газа в измерительной секции, полученный на основе данных для различных радиальных расстояний, на которых расположены хорды, а профиль скоростей содержит дополнительную информацию, характеризующую изменения степени шероховатости поверхности трубопровода.

7. Ультразвуковой расходомер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит средство определения скорости V _A, соответствующей первой паре преобразователей, скорости V_B, соответствующей второй паре преобразователей, скорости V_С, соответствующей третьей паре преобразователей, и скорости V_D, соответствующей четвертой паре преобразователей.

8. Ультразвуковой расходомер по п.7, отличающийся тем, что асимметрия потока жидкости/газа в измерительной секции определяется из следующего уравнения:

.

9. Ультразвуковой расходомер по п.7, отличающийся тем, что поперечный поток жидкости/газа в измерительной секции определяется из следующего уравнения:

.

10. Ультразвуковой расходомер по п.7, отличающийся тем, что коэффициент профиля скоростей потока жидкости/газа в измерительной секции определяется из следующего уравнения:

11. Ультразвуковой расходомер по п.7, отличающийся тем, что профиль скоростей потока жидкости/газа в измерительной секции определяется из следующего уравнения:

,

где V_CHORD есть V_A, V _B, V_C или V_D, и где V_AVG - средняя скорость движений жидкости/газа в измерительной секции, определяемая из следующего уравнения:

V_AVG =W_AV_A+W_BV_B+W _CV_C+W_DV_D,

где W_A, W_B, W_C и W_D - весовые коэффициенты для соответствующих хорд.

12. Ультразвуковой расходомер по п.1, отличающийся тем, что диагностические данные используются для мониторинга состояния трубопровода на основе данных, получаемых от ультразвукового расходомера.

13. Способ диагностики шероховатости трубопровода, в котором на основе информации об акустических сигналах, передаваемых между преобразователями первой, второй, третьей и четвертой пар преобразователей, определяют диагностические данные, включающие асимметрию потока жидкости/газа через измерительную секцию, поперечный поток жидкости/газа в измерительной секции и коэффициент профиля скоростей жидкости/газа в измерительной секции, отслеживают изменения во времени диагностических данных и определяют изменения шероховатости поверхности трубопровода на основе изменений диагностических данных, которые включают в основном постоянные значения асимметрии и поперечного потока, приблизительно равные единице, и в основном переменное значение коэффициента профиля скоростей.

14. Способ по п.13, в котором диагностические данные дополнительно включают профиль скоростей потока жидкости/газа в измерительной секции, а профиль скорости содержит дополнительную информацию об изменении шероховатости поверхности трубопровода.

15. Способ по п.13, в котором диагностические данные дополнительно включают турбулентность потока жидкости/газа в измерительной секции, а данные о турбулентности содержат дополнительную информацию об изменении шероховатости поверхности трубопровода.

16. Способ по п.13, в котором определение диагностических данных осуществляют на основе информации об акустических сигналах, передаваемых между преобразователями второй, третьей и четвертой пары преобразователей.

17. Способ по п.13, в котором диагностические данные дополнительно используют для мониторинга состояния трубопровода на основе данных, получаемых от ультразвукового расходомера.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к ультразвуковым расходомерам для измерения массового или объемного расхода жидкости или газа, транспортируемых по трубопроводам, которые можно использовать для диагностики шероховатости трубопроводов, в частности, изобретение предназначено для использования в нефтегазодобывающей отрасли.

Уровень техники

Измерения массового или объемного расхода жидкостей или газов, транспортируемых по трубопроводам, являются составной частью работ в нефтегазодобывающей отрасли. Одним из инструментов для указанных измерений является ультразвуковой расходомер. Ультразвуковые расходомеры представляют собой класс расходомеров, измеряющих расход жидкости или газа с помощью ультразвуковых сигналов, распространяющихся в жидкости или газе.

Ультразвуковые расходомеры обладают тем преимуществом, что дают избыточное количество диагностической информации, благодаря чему возможно обнаружить потенциальные проблемы, связанные с эффективностью работы расходомера. Но интерпретировать временной дрейф диагностических данных до настоящего времени было трудно, так как данные обычно подлежали новой интерпретации как после перекалибровки (поверки) расходомера, так и при обнаружении неисправностей в ходе эксплуатации. В практике промышленного применения расходомеров обязательным является проведение стандартных процедур профилактической поверки, а также обязательной перекалибровки расходомера через определенные промежутки времени. Подобный график поверки и перекалибровки может приводить к значительным затратам и потери времени. Кроме того, если указанные процедуры осуществляются через заранее установленные промежутки времени, то нет уверенности в том, что выполнение этих работ действительно необходимо. Таким образом, избыточная информация, содержащаяся в диагностических данных, поступающих от расходомера, не используется эффективно.

Имеется некоторый опыт извлечения дополнительной информации путем отслеживания изменений во времени ограниченного числа диагностических параметров. Однако применяемые в настоящее время способы не полны и не оптимальны. Эти способы не предоставляют в достаточной мере важные данные, благодаря которым можно было бы снизить необходимость профилактического осмотра, поверки и перекалибровки расходомеров через установленные промежутки времени. Кроме того, применяемые в настоящее время способы не позволяют сделать какие-либо заключения о функционировании системы, относящиеся к участкам трубопровода, расположенным вне расходомера, - например, о состоянии участка трубопровода, расположенного выше (по отношению к направлению потока) расходомера.

Раскрытие изобретения

Указанные проблемы могут быть в значительной мере решены с помощью способа диагностики и ультразвукового измерительного устройства, позволяющих определять степень шероховатости поверхности трубопровода. По крайней мере некоторые из вариантов изобретения, приводимых в качестве иллюстраций, представляют собой ультразвуковые расходомеры, включающие измерительную секцию трубопровода (измерительную муфту), через которую проходят жидкость или газ, и первую пару пьезоэлектрических преобразователей, механически связанных с измерительной секцией и акустически связанных с потоком жидкости или газа, где первая пара преобразователей включает верхний относительно потока (далее - по потоку) преобразователь и нижний относительно потока (далее - по потоку) преобразователь, функционально связанный с верхним преобразователем; указанная пара преобразователей определяет первую соединяющую их хорду. Ультразвуковой расходомер сконфигурирован для определения диагностических данных на основе информации об акустических сигналах, которыми обмениваются преобразователи первой пары преобразователей, где диагностические данные включают: асимметрию потока жидкости/газа в измерительной секции, поперечный поток в измерительной секции и гидродинамический коэффициент профиля скоростей (далее - коэффициент профиля скоростей) потока в измерительной секции. Ультразвуковой расходомер сконфигурирован для определения изменения степени шероховатости поверхности трубопровода (с которым ультразвуковой расходомер связан механически) исходя из изменений во времени диагностических данных (где изменения включают случай, когда асимметрия и поперечный поток имеют постоянное, в целом, значение, приблизительно равное единице, и существенно изменяется значение коэффициента профиля скоростей).

Другие приведенные в качестве иллюстраций варианты представляют собой способы изменений, включающие определение диагностических данных на основе информации об акустических сигналах, которыми обмениваются преобразователи первой пары преобразователей ультразвукового расходомера (эти диагностические данные включают асимметрию потока жидкости/газа в измерительной секции, величину поперечного потока жидкости/газа в измерительной секции и коэффициент профиля скоростей потока жидкости/газа в измерительной секции), отслеживание изменений во времени значений диагностических данных и определение изменений шероховатости поверхности трубопровода, основанное на отслеживании изменений диагностических данных (где изменения включают случай, когда асимметрия и поперечный поток имеют постоянное, в целом, значение, равное примерно единице, и существенно изменяется значение коэффициента профиля скоростей).

Другие варианты, дополнительные к приведенным выше для иллюстрации, представляют собой компьютерные носители информации, которые содержат состоящие из набора команд алгоритмы, которые при выполнении их процессором реализуют способы измерений, включающие способы определения изменений шероховатости поверхности трубопровода на основе отслеживания изменений во времени диагностических данных (где диагностические данные определяются на основе информации об акустических сигналах, которыми обмениваются преобразователи первой пары преобразователей, и включают асимметрию потока жидкости/газа через измерительную секцию, поперечный поток в измерительной секции и коэффициент профиля скоростей потока в измерительной секции). Изменения включает случай, когда асимметрия и поперечный поток имеют постоянное, в целом, значение, равное примерно единице, и существенно изменяется коэффициент профиля скоростей.

В раскрытых в данном описании устройствах и способах могут сочетаться признаки и преимущества, позволяющие устранить недостатки, свойственные предшествующему уровню техники. Различные характеристики, указанные выше, а также другие признаки и особенности изобретения станут очевидными для специалистов в данной области после чтения следующего далее подробного описания изобретения и просмотра сопровождающих чертежей.

Краткое описание чертежей

Подробное описание различных вариантов изобретения содержит ссылки на следующие сопровождающие чертежи:

На фиг.1 представлен вид сверху в разрезе ультразвукового газового расходомера;

На фиг.2 представлен вид сбоку ультразвукового расходомера, соответствующего вариантам изобретения; показаны измерительная секция и хорды А-D;

На фиг.3 представлен вид сверху ультразвукового расходомера, соответствующего вариантам изобретения; показаны измерительная секция, в которой находится пара преобразователей;

На фиг.4 даны примеры изменений во времени диагностических данных, в соответствии с вариантами изобретения, данные включают асимметрию, поперечный поток и коэффициент профиля скоростей;

На фиг.5 показаны диагностические данные, в соответствии с вариантами изобретения, данные включают профиль скоростей для трубопроводов с гладкой поверхностью и трубопроводов с шероховатой поверхностью;

На фиг.6 показаны изменения во времени диагностических данных, в соответствии с вариантами изобретения; показаны данные для профиля скоростей;

На фиг.7 показаны изменения во времени диагностических данных, в соответствии с вариантами изобретения; показаны данные для турбулентности; и

На фиг.8 дан пример блок-схемы алгоритма, определяющего шероховатость поверхности трубопровода.

Осуществление изобретения

Некоторые термины используются в следующих далее описании и формуле изобретения для ссылок на конкретные компоненты системы. В данном документе компоненты, отличные друг от друга по наименованию, но не по функциям, различаться не будут.

В следующем далее обсуждении и в формуле изобретения термин "включает" используется не в ограничительном смысле, и таким образом, должен пониматься как означающие "включая (но перечень не является ограничительным) ". Термин "соединять" и ему подобные означают как непосредственное, так и опосредованное соединение, подключение или связь. Таким образом, если говорится, что первое устройство соединено со вторым устройством, то соединение может быть как непосредственным, так и таким, которое опосредовано соединениями через другие устройства и соединители. Далее, термин "установлен" будет служить для обозначения как непосредственного, так и опосредованного соединения. Таким образом, если говорится, что первое устройство установлено на втором устройстве, то соединение установленного устройства может быть как непосредственным, так и опосредованным соединениями через другие устройства и соединители.

На фиг.1 показан в качестве иллюстрации ультразвуковой расходомер, служащий для измерения расхода жидкости или газа, в соответствии с вариантами изобретения. Измерительная секция 100, которая может быть установлена между двумя участками трубопровода, имеет предопределенные размеры, которыми определяется геометрия области, в которой проводятся измерения. Пара преобразователей 120 и 130 устанавливается в соответствующих держателях 125 и 135, разнесенных по длине измерительной секции 100. Преобразователи 120 и 130 являются ультразвуковыми приемопередатчиками, то есть генерируют и принимают ультразвуковые сигналы. Термин "ультразвуковые сигналы" в данном контексте относится к акустическим сигналам, частота которых в некоторых вариантах превышает примерно 20 килогерц. В некоторых вариантах ультразвуковые сигналы могут иметь частоту приблизительно 125 килогерц (для газовых расходомеров) и 1 мегагерц (для жидкостных расходомеров). Ультразвуковые сигналы любой из этих частот могут генерироваться и приниматься пьезоэлектрическими элементами каждого преобразователя. Для генерации ультразвукового сигнала осуществляется воздействие электрического сигнала на пьезоэлектрический элемент, который отвечает вибрацией на это воздействие. При вибрации пьезоэлектрического элемента возбуждается ультразвуковой сигнал, который распространяется в продольно-поперечном направлении внутри измерительной секции 100 через жидкость или газ, достигая соответствующего преобразователя, принадлежащего той же паре преобразователей. Ультразвуковой сигнал, достигший принимающего пьезоэлектрического элемента, заставляет его вибрировать, генерируя электрический сигнал, который детектируется, преобразуется в цифровую форму и анализируется электронной аппаратурой, связанной с расходомером.

Отрезок 110, который называют хордой 110 или лучом, соединяет два преобразователя 120 и 130 и направлен под некоторым углом к оси 105. Длина хорды 110 равна расстоянию между фронтальной стороной преобразователя 120 и фронтальной стороной преобразователя 130. Точки 140 и 145 являются точками, где акустические сигналы, генерируемые преобразователями 120 и 130, переходят из жидкости или газа, протекающего через измерительную секцию 100, в кристалл датчика. Положение преобразователей 120 и 130 может быть определено углом , первым расстоянием L, равным расстоянию между преобразователями 120 и 130, вторым расстоянием X, представляющим собой расстояние между точками 140 и 145, измеренное вдоль оси, и третьим расстоянием D, соответствующим диаметру трубопровода или измерительной секции. В большинстве случаев расстояния D, Х и L точно определяются при изготовлении расходомера. Кроме того, такие преобразователи, как 120 и 130 обычно размещаются на определенном расстоянии от точек 140 и 145 соответственно; это расстояние не зависит от размеров расходомера, то есть от диаметра измерительной секции.

Сначала нижний по потоку преобразователь 120 генерирует ультразвуковой сигнал, распространяющийся в направлении верхнего по потоку преобразователя 130 и достигающий его. Через некоторое время верхний преобразователь 130 генерирует ответный ультразвуковой сигнал, распространяющийся в направлении нижнего преобразователя 120 и достигающий его. Таким образом, обмен распространяющимися вдоль хорды 110 ультразвуковыми сигналами 115 между преобразователями 120 и 130 можно сравнить с подачей мяча и его захватом в ловушку. При работе расходомера каждая пара преобразователей может повторять такую последовательность действий тысячи раз в минуту.

Поток жидкости/газа в направлении 150 через измерительную секцию 100 характеризуется профилем 152 скоростей. Показанные на чертеже векторы скорости 153 - 158 демонстрируют тот факт, что скорость потока, проходящего через измерительную секцию 100, увеличивается при приближении к оси 105. Время прохождения ультразвукового сигнала 115 между преобразователями 120 и 130 зависит, в частности, от направления распространения (вверх или вниз по потоку) ультразвукового сигнала 115. Время прохождения ультразвукового сигнала 115 по потоку (то есть, в том же направлении, в котором движется поток) меньше, чем время прохождения сигнала в противоположном направлении (то есть в направлении против потока). Значения времени прохождения сигнала в направлениях по потоку и против потока можно использовать для определения средней по всей хорде 110 скорости потока, а также для определения скорости звука в потоке жидкости или газа. При заданных размерах сечения расходомера, через который проходит жидкость или газ, и при известной средней скорости может быть рассчитан объем жидкости/газа, прошедшего через измерительную секцию 100 за заданное время.

Для более точного определения средней по всему сечению расходомера скорости в ультразвуковом расходомере могут использоваться несколько хорд; такие расходомеры называют многолучевыми. На фиг.2 показан многолучевой ультразвуковой расходомер. В данных вариантах хорда А (обозначена как 225 на фиг.2), хорда В (230), хорда С (235) и хорда D (240) в измерительной секции 100 расположены в разных слоях потока. В альтернативных вариантах многолучевые расходомеры могут иметь разное число хорд. Каждая из хорд А-D соответствует двум преобразователям, работающим поочередно в качестве передатчика и в качестве приемника. Показана также управляющая электронная аппаратура 160, которая получает и обрабатывает данные от пар преобразователей, соответствующих четырем хордам А-D. На фиг.2 не показаны четыре пары преобразователей, соответствующие хордам А - D.

Схему расположения четырех пар преобразователей можно легко понять, обратившись к фиг.3. Четыре пары входов/выходов преобразователей, или портов, установленных на измерительной секции 100. Каждая пара портов преобразователей соответствует одной из хорд 110, показанных на фиг.2. На измерительной секции 100 установлена первая пара портов 125 и 135 преобразователей и соответствующие им преобразователи. Другая пара портов преобразователей, состоящая из портов 165 и 175 (видны частично), и соответствующие им преобразователи установлены таким образом, чтобы соединяющая их хорда была расположена, в общих чертах, Х-образно по отношению к хорде 110, соединяющей порты 125 и 135 преобразователей. Точно так же порты 185 и 195 преобразователей расположены параллельно портам 165 и 175 преобразователей, но в других плоскостях (то есть на разных радиальных расстояниях от оси трубопровода или измерительной секции расходомера). На фиг.3 не показана явно четвертая пара портов преобразователей и соответствующие им преобразователи. Рассматривая совместно фиг.2 и 3, можно видеть, что пары преобразователей размещены таким образом, что две верхние пары преобразователей, соответствующие хордам А и В, расположены Х-образно, и две нижних пары преобразователей, соответствующих хордам С и D, также расположены Х-образно. На основе данных о времени прохождения сигналов может быть определена скорость потока жидкости для каждой из хорд А-D, благодаря чему можно получить средние вдоль хорд скорости потока (далее - скорости по хордам); комбинируя скорости по хордам, можно определить скорость потока, среднюю по всему сечению трубопровода или измерительной секции расходомера 100.

Определение скоростей по хордам производится на основе набора данных о времени прохождения сигнала, получаемых от четырех пар преобразователей. Набор данных о времени прохождения сигнала включает набор разностей ( t) между временем t₁ прохождения сигнала в направлении по потоку и временем t₂ прохождения сигнала в направлении против потока;

указанные разности получают обычно из равенства

Для определения среднего значения t может использоваться набор из 20 значений величины t. В альтернативных вариантах могут использоваться наборы, содержащие другое число значений t.

По среднему значению t может быть определена средняя по всем хордам скорость, которую обычно получают из следующих равенств (2) и (3):

где индекс i обозначает конкретную хорду, для которой определяется скорость потока (например, V_A , V_B, V_C и V_D для хорд А, В, С и D соответственно), L - расстояние между преобразователями и Х - расстояние между концами хорды, измеренное вдоль оси. Затем на основе средних значений скоростей по хордам может быть определена средняя скорость V_AVG потока в трубопроводе трубопровода или в измерительной секции расходомера 100; обычно она определяется из уравнения

где W_A, W_B, W _C и W_D - весовые коэффициенты для соответствующих хорд.

При комбинировании различными способами скоростей по хордам можно извлечь некоторую информацию, например, об изменении состояния трубопровода, в частности, о шероховатости поверхности выше (относительно потока) расходомера или о шероховатости поверхности внутри самого расходомера. В частности, для определения шероховатости, в соответствии с некоторыми вариантами изобретения, могут быть использованы такие величины, как асимметрия, поперечный поток и коэффициент профиля скоростей, характеризующие поток через трубопровод или измерительную секцию расходомера 100. Далее эти величины обсуждаются последовательно.

Величина "Асимметрия" используется для сравнения скоростей V _A, V_B потока в верхней половине канала трубопровода или расходомера с аналогичными скоростями V_C, V _D в нижней половине канала трубопровода или расходомера; эту величину обычно определяют из следующего уравнения:

Величина "Поперечный поток" служит для сравнения скоростей в двух вертикальных плоскостях - например, в плоскости, определяемой хордой В (225) и хордой С (235) (которым соответствуют скорости V_A и V _C), и в плоскости, определяемой хордой В (230) и хордой D (240) (которым соответствуют скорости V_B и V _D; эти плоскости обычно пресекаются под прямым углом. Данная величина обычно может быть получена из следующего уравнения:

Величина "Коэффициент профиля скоростей" применяется для сравнения скоростей V_B , V_C вблизи оси трубопровода или расходомера со скоростями V_A, V_D вблизи стенки трубопровода или расходомера; эта величина обычно может быть получена из следующего уравнения:

Коэффициент профиля скоростей является также некоторой характеристикой вихревого движения в потоке, поскольку при его вычислении учитываются данные, относящиеся к различным радиальным расстояниям от оси и к разным плоскостям, содержащим хорды А-D. При оптимальных эксплуатационных условиях значение асимметрии должно быть приблизительно равно единице, значение поперечного потока должно быть приблизительно равно единице, а значение коэффициента профиля скоростей должно быть приблизительно равно 1,17.

Обратимся теперь к фиг.4, где представлены графики зависимостей асимметрии 200, поперечного потока 205 и коэффициента 210 профиля скоростей от времени. Время откладывается по оси X; асимметрия 200, поперечный поток 205 и коэффициент профиля скоростей 210 откладываются по оси Y. Изменения этих диагностических данных со временем показывают, что как асимметрия 200, так и поперечный поток 205 являются, в общем, постоянными и приблизительно равными единице (значению, оптимальному при эксплуатации), тогда как коэффициент 210 профиля скоростей потока в трубопроводе или расходомере существенно возрастает и все более удаляется от значения 1,17 (оптимального значения при эксплуатации). Такие изменения данных показывают, что поток остается симметричным, и в нем отсутствует существенный поперечный поток; в то же время скорости потока вблизи оси трубопровода или расходомера, соответствующие хордам В (230) и С (235), со временем возрастают по сравнению со скоростями потока вблизи стенки трубопровода или расходомера, соответствующими хордам А (225) и D (240).

Диагностические данные, показанные на фиг.4, могут служить примером информации, указывающей на изменения условий, например, на изменение шероховатости поверхности трубопровода или расходомера. Более конкретно, изменение данных, представленных на фиг.4, указывает на увеличение шероховатости поверхности трубопровода выше (относительно потока) расходомера или на увеличение шероховатости поверхности секции расходомера 100.

Обратимся снова к фиг.1. Профиль 152 скоростей определяется условиями в канале трубопровода выше (относительно потока) расходомера или преобразователей. Например, если находящийся выше участок трубопровода и монтажные элементы крепления расходомера остаются неизменными, то нет оснований ожидать, что профиль 152 скоростей будет изменяться. Однако возможны такие изменения условий, при которых профиль 152 скоростей будет меняться, - например, изменение положения входного регулирующего вентиля, изменение доли потока, пропускаемой через расходомер, попадание загрязняющих материалов в фильтры трубопровода или эффекты, вызванные эрозией, коррозией или осаждением на поверхность, которые изменяют шероховатость поверхности трубопровода выше расходомера или внутри расходомера. Изменение профиля 152 скоростей вследствие одного из перечисленных факторов можно легко понять, обратившись к фиг.5.

На фиг.5 профиль 152 скоростей представлен как функция положения хорды А-D для гладкой (сплошная кривая 215) и шероховатой (пунктирная кривая 220) поверхности. Положение хорды представлено на графике значениями, откладываемыми по оси X, на которой также отмечены значения, соответствующие хорде А (225), хорде В (230), хорде С (235) и хорде D (240). Значения профиля 152 скоростей (эта величина не имеет размерности) откладываются на графике по оси Y; значения профиля 152 скоростей обычно определяются следующим уравнением:

где V_CHORD - скорость потока по одной из хорд А-D, а V_AVG - средняя скорость движений жидкости/газа в измерительной секции, определенная выше.

При увеличении шероховатости поверхности в верхнем (относительно потока) участке трубопровода (кривая 220) скорости V_A и V_D по хорде А (225) и по хорде D (240) соответственно уменьшаются при приближении к стенке трубопровода или расходомера, что связано с ростом сопротивления потоку, обусловленному шероховатостью поверхности расходомера или трубопровода. Одновременно с этим скорости V_B, V_C по хорде В (230) и по хорде С (235) соответственно увеличиваются при приближении к оси трубопровода или расходомера, так как при постоянной величине потока (по массе) через расходомер более интенсивный поток будет наблюдаться вблизи оси, что вытекает из принципа непрерывности. Таким образом, профиль 152 скоростей будет более острым для случая шероховатой поверхности на участке выше расходомера (обратимся снова к кривой 220) по сравнению со случаем гладкой поверхности на участке выше расходомера (кривая 215).

На фиг.6 приведен в качестве иллюстрации график профиля 152 скоростей как функции времени при различном положении хорд А-D. Время на графике откладывается по оси X, значения профиля 152 скоростей, соответствующие хордам А-D, - по оси Y. Аналогично графикам, представленным на фиг.5, графики на фиг.6 показывают уменьшение скорости вблизи стенки трубопровода или расходомера (графики 225 и 240 профиля 152 скоростей соответствуют хорде А и хорде D) и одновременное увеличение скорости вблизи оси трубопровода или расходомера (графики 230 и 235 профиля 152 скоростей соответствуют хорде В и хорде С). Кроме того, фиг.6 показывает изменение этих величин со временем. Таким образом, составляющая диагностических данных, представленная профилем 152 скоростей, обеспечивает, как показывает фиг.6, дополнительную информацию, характеризующую изменение состояния поверхности трубопровода или расходомера со временем.

Другой составляющей диагностических данных являются значения турбулентности, которые можно получить исходя из набора значений величины t. Если известны среднее значение t и среднеквадратичное отклонение t величины t, то обычно можно выразить значение турбулентности (то есть флуктуации скорости) следующим равенством:

Турбулентность может интерпретироваться как мера флуктуации скорости по каждой из хорд А-D. При оптимальных условиях эксплуатации турбулентность составляет приблизительно 1-2% для внутренних хорд В (230), С (235) и приблизительно 3-4% для внешних хорд А (225), D (240).

На фиг.7 представлена зависимость турбулентности 245 от времени. Время на графике откладывается по оси X, а значение турбулентности 245 (в процентах) - по оси Y. Как видно на фиг.7, начальное значение турбулентности 245 (в процентах) для хорд А (225) и D (240) выше, чем значение турбулентности 245 для хорд В (230) и С (235). Со временем турбулентность 245 для всех хорд растет. Это указывает на увеличение шероховатости поверхности трубопровода или расходомера, поскольку увеличение шероховатости приводит к возрастанию турбулентности 245, а также к увеличению потерь на трение и преодоление касательного напряжения. Таким образом, данные о турбулентности также дают дополнительную информацию, характеризующую изменения со временем состояния трубопровода выше расходомера или в самом расходомере.

На фиг.8 представлена блок-схема алгоритма для определения шероховатости трубопровода в соответствии с вариантами изобретения. После начала работы (блок 300) алгоритм выполняет определение диагностических данных (блок 302) на основе информации об ультразвуковых сигналах, которыми обмениваются преобразователи каждой пары преобразователей. В некоторых вариантах диагностические данные включают асимметрию 200, поперечный поток 205 и коэффициент 210 профиля скоростей потока жидкости/газа через трубопровод или измерительную секцию расходомера 100. В других вариантах могут также фигурировать профиль 152 скоростей и турбулентность 245. Далее алгоритм переходит к определению изменений во времени диагностических данных (блок 304). Определение изменений может быть выполнено для некоторого периода времени, который пользователь сочтет достаточно продолжительным; в некоторых вариантах этот период может составлять несколько месяцев или несколько лет.

После определения изменений диагностических данных за определенный период времени алгоритм переходит к определению изменений степени шероховатости поверхности трубопровода или расходомера на основе информации об изменении во времени данных (блок 306). В некоторых вариантах определение степени шероховатости трубопровода выполняется исходя из подмножества диагностических данных, включающего асимметрию 200, поперечный поток 205 и коэффициент 210 профиля скоростей. В других вариантах определение степени шероховатости поверхности трубопровода или расходомера может учитывать также профиль 152 скоростей и данные о турбулентности 245. После определения состояния трубопровода или расходомера алгоритм возвращается к определению новых диагностических данных на основе данных об ультразвуковых сигналах 115 (блок 302).

Пользуясь данным здесь описанием и комбинируя изложенные выше способы, специалисты в данной области могут создавать программное обеспечение, которое в сочетании с соответствующими универсальными или специальными аппаратными средствами может применяться для создания компьютерных систем и/или их компонент, воплощающих изобретение, создавать компьютерные системы и/или их компоненты, реализующие способ, предложенный в изобретении, и/или создавать компьютерные носители информации, содержащие программы, реализующие некоторые аспекты способов, предложенных в изобретении.

Приведенное выше обсуждение, как предполагается, лишь иллюстрирует принципы и различные варианты данного изобретения. Многочисленные варианты и модификации станут очевидными специалистам в данной области после оценки в полной мере раскрытия изобретения. Предполагается, что следующая далее формула изобретения будет интерпретироваться как охватывающая все такие варианты и модификации.