專利名稱：用于補償科里奧利計的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量其中夾帶有氣體的流的密度和/或質(zhì)量流率的設(shè)備，更具體地，涉及用于測量聲音通過該流傳播的速度以便確定該過程中流的氣體體積分率(gas volume fraction)，從而增擴或校正科里奧利(coriolis)計的密度和/或質(zhì)量流率的測量結(jié)果的設(shè)備。
背景技術(shù)：
科里奧利計被廣泛地使用于工業(yè)上的流量測量，代表在工業(yè)的流量計市場上最大的和快速增長的一個部分?？评飱W利計以高精度著稱，且提供質(zhì)量流量和密度作為它們的基本測量結(jié)果。
自從該技術(shù)在二十世紀八十年代開始被工業(yè)界首次采用以來，科里奧利計已經(jīng)享有一種高定價、高精度計的聲譽，用于高價值應用-主要是在化學處理工業(yè)內(nèi)。然而，盡管它們有這些成功，科里奧利計仍由于在二相流中-主要是氣體/液體混合物的氣泡流中性能較差而受到困擾。
科里奧利計對于充氣或氣泡流有兩個基本問題。首先，氣泡流向科里奧利計提出可操作性方面的挑戰(zhàn)。大多數(shù)科里奧利計使用電磁驅(qū)動傳動器，來使流管以它的固有頻率振動。這些計依賴于振動的管來生成科里奧利力，它使得流管的一個腿(leg)滯后于另一個腿?？评飱W利力，且因此是相位滯后，理想地正比于通過流管的質(zhì)量流量。流管典型地以共振頻率或接近于共振頻率被激勵，這樣，對于保持管中指定振動幅度所需要的激勵力是系統(tǒng)中阻尼的強(strong)函數(shù)。單相混合物對彎管的振動引入很小的阻尼，然而，系統(tǒng)中的阻尼量隨氣泡的引入而顯著地增加。結(jié)果，需要更多的功率以保持在氣泡流中在管中的振動。常常需要比可得到的更多的功率，從而導致科里奧利計的“失速”。
而且，科里奧利計經(jīng)常需要大量的時間來相對與氣泡或充氣流的開始有關(guān)的、流管共振頻率的經(jīng)?？焖俑淖兌M行調(diào)節(jié)。流管實質(zhì)上為其而被失速的這些延時極大地削弱了科里奧利計在許多二相流和瞬態(tài)響應很重要的應用中的可利用性，諸如批量處理。許多制造商一直以來以及目前都正在解決這個失速問題。
第二，多相流提出了精度方面的挑戰(zhàn)。由充氣流狀況提出的精度挑戰(zhàn)是與科里奧利計的工作原理有關(guān)的許多基礎(chǔ)假設(shè)隨充氣流的引入而不斷地變得越來越不精確。本發(fā)明提供一種用于改進對所有類型的流體操作的科里奧利計的精度的手段，特別著重于增強對二相氣泡流和混合物操作的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的包括一種儀器，其具有用于確定聲音在管道中的流體流內(nèi)傳播的速度的設(shè)備，以便確定在管道內(nèi)流動的過程流體或流的氣體體積分率，且進行增擴以改進科里奧利計的密度和/或質(zhì)量流率測量結(jié)果的精度。
按照本發(fā)明，提供用于測量在管道中流動的流體的密度的流測量系統(tǒng)。該流測量系統(tǒng)包括科里奧利計、流測量設(shè)備和處理單元?？评飱W利計具有至少一個其中流過流體的管。科里奧利計提供指示管的固有頻率的頻率信號和/或指示在一對管之間的相位差的相位信號。流測量設(shè)備測量聲音通過流體傳播的速度。流測量設(shè)備提供以下至少其中之一指示聲音通過流體傳播的速度的SOS信號、指示流體中氣體體積分率的GVF信號、和指示流體的減小的頻率的減小頻率。處理單元根據(jù)SOS信號、GVF信號、和減小的頻率信號與相位信號中的至少一項來確定補償?shù)馁|(zhì)量流率測量結(jié)果和/或根據(jù)SOS信號、GVF信號、和減小的頻率信號與該頻率信號確定補償?shù)拿芏葴y量結(jié)果。
通過以下的本發(fā)明的示例性實施例的詳細說明將更明白本發(fā)明的上述的和其它的目的、特性和優(yōu)點。


圖1是按照本發(fā)明的流測量系統(tǒng)的示意圖，用于提供對于在管道中流過的流體流內(nèi)夾帶的氣體增擴的密度和/或質(zhì)量流率測量。
圖2是按照本發(fā)明的另一個流測量系統(tǒng)的示意圖，用于提供對于在管道中流過的流體流內(nèi)夾帶的氣體增擴的密度和/或質(zhì)量流率測量。
圖3是按照本發(fā)明的、類似于圖1的流測量系統(tǒng)的處理單元的功能性框圖。
圖4是按照本發(fā)明的、沒有流體流過的科里奧利計的模型的示意圖。
圖5是按照本發(fā)明的、有流體流過的科里奧利計的模型的示意圖。
圖6是按照本發(fā)明的、考慮充氣流體的可壓縮性的、有充氣流體流過的科里奧利計的模型的示意圖。
圖7是按照本發(fā)明的、管道的固有頻率作為流體流的氣體體積分率的函數(shù)的曲線圖。
圖8是按照本發(fā)明的、減小的頻率作為流體流的氣體體積分率的函數(shù)的曲線圖。
圖9是按照本發(fā)明的、流體流非均勻性對科里奧利計的管的影響的示意圖。
圖10是按照本發(fā)明的、考慮充氣流體的可壓縮性非均勻性的、有充氣流體流過的科里奧利計的模型的示意圖。
圖11是按照本發(fā)明的、在氣體的不同臨界阻尼關(guān)系下視密度作為流體流的氣體體積分率的函數(shù)的曲線圖。
圖12是按照本發(fā)明的、對于管的固有頻率不同的多個科里奧利計的、減小的頻率作為流體流的氣體體積分率的函數(shù)的曲線圖。
圖13是按照本發(fā)明的、科里奧利計/夾帶的空氣設(shè)施的示意圖。
圖14是按照本發(fā)明的、以100Hz共振頻率、具有1英寸直徑管的科里奧利計的視密度作為氣體體積分率函數(shù)的曲線圖。
圖15是按照本發(fā)明的、以300Hz共振頻率、具有1英寸直徑管的科里奧利計的視密度作為氣體體積分率的函數(shù)的曲線圖。
圖16是按照本發(fā)明的、當夾帶的空氣的體積變化時，科里奧利計的視密度、校正的視密度和氣體體積分率隨時間過去的曲線圖。
圖17是按照本發(fā)明的、減小的頻率作為聲音速度的函數(shù)的曲線圖。
圖18是按照本發(fā)明的、密度因子與質(zhì)量流量因子作為氣體體積分率的函數(shù)的曲線圖。
圖19是按照本發(fā)明的、當夾帶的空氣的體積變化時，科里奧利計的質(zhì)量流率、校正的質(zhì)量流率和氣體體積分率以及由mag計測量的質(zhì)量流率隨時間過去的曲線圖。
圖20是按照本發(fā)明的、氣體體積分率計的示意性框圖。
圖21是按照本發(fā)明的、氣體體積分率計的另一個實施例的示意性框圖。
圖22是按照本發(fā)明的、從用來測量聲音通過管道的流體流的速度的壓力傳感器陣列處理的數(shù)據(jù)的kω圖。
圖24是按照本發(fā)明的、在不同的壓力范圍上流體流的聲音速度作為氣體體積分率的函數(shù)的曲線圖。
具體實施例方式
科里奧利計提供對于通過管道14的流體流12的質(zhì)量流量和/或密度的測量。如前面詳細地描述的，科里奧利計在流體流內(nèi)存在夾帶的氣體(例如帶泡的氣體)時提供有誤差的質(zhì)量流量和密度測量。本發(fā)明提供用于補償科里奧利計以提供校正的或改進的密度和/或質(zhì)量流量測量的手段。
如圖1所示，體現(xiàn)本發(fā)明的流測量系統(tǒng)10的一個實施例包括科里奧利計16、聲音速度(SOS)測量儀器18和處理單元20，用來提供任何一個或多個以下的流體流參數(shù)，即氣體體積分率、聲音通過流體流傳播的速度、未補償?shù)拿芏?、補償?shù)拿芏群秃铣伞Ａ黧w流可以是任何充氣的流體或混合物，包括液體、漿、固體/液體混合物、液體/液體混合物、和任何其它多相流。
在本實施例中，科里奧利計16提供指示裝載流體12的科里奧利計的管的固有頻率的頻率信號22和/或指示在科里奧利計的管中的相位滯后的相位信號23。SOS測量儀器18提供指示聲音通過流體流傳播的速度的SOS信號24。處理單元24處理頻率信號、相位信號和SOS信號，以提供前面描述的至少一個流體流參數(shù)。壓力和/或溫度信號26，28也可被提供到處理單元20，它可被使用來提供氣體體積分率的更精確的測量。壓力和溫度可以通過已知的裝置被測量，或被估計。
科里奧利計可以是任何已知的科里奧利計，諸如由我的MicroMotionInc.制造的2英寸彎管科里奧利計和由Endress & Hauser Inc.制造的2英寸直管科里奧利計。科里奧利計包括一對彎管(例如，U形、扭結(jié)(pretzel)形狀)，或直管，正如此后描述的。
SOS測量設(shè)備18包括用于測量聲音通過充氣流12傳播的速度的任何裝置。一種方法包括沿管道14軸向地間隔開的一對超聲傳感器，其中在超聲發(fā)射器與接收器之間傳播的超聲信號的飛行時間。取決于流的特性，超聲信號的頻率必須相對低，以減小流內(nèi)的散射。該測量計類似于在2004年1月13日提交的美國專利申請No.10/756,922(CiDRA文檔No.CC-0699)中描述的，該專利申請在此引用以供參考。
替換地，如圖2，20和21所示，SOS測量儀器可以是氣體體積分率(GVF)計，它包括傳感設(shè)備116，具有多個沿管道軸向地間隔開的基于應變或壓力的傳感器118-121，用于測量在流12中傳播的聲壓190。GVF計100確定并提供指示在流體中的SOS的第一信號27和指示流12的氣體體積分率(GVF)的第二信號29，這將在后面更詳細地描述。
圖3顯示圖2的流測量系統(tǒng)的功能性框圖30。如圖所示，GVF計100測量在流體中傳播的聲壓，以測量聲音速度αmix。GVF計通過使用測量的聲音速度至少計算流體的氣體體積分率和/或減小的固有頻率。GVF計也可使用過程流(process flow)的壓力來確定氣體體積分率。壓力可被測量或估計。
為了確定用于科里奧利計的改進的密度，計算的氣體體積分率和/或減小的頻率被提供到處理單元21。改進的密度通過使用分析地得到的或根據(jù)經(jīng)驗得到的密度校準模型(或因此得到的公式)被確定，它是測量的固有頻率和至少一項確定的GVF、減小的頻率和聲音速度、或它們的任何組合的函數(shù)，這將在后面更詳細地描述。改進的密度測量結(jié)果是在管道中通過的充氣流的密度。
本發(fā)明還構(gòu)想確定充氣流的改進合成信息。換句話說，在知道聲音通過流傳播的速度和改進的密度后，處理單元21可以確定多相流的流體/混合物部分的密度。
例如，充氣流的密度(ρmix)涉及各組分的體積相位分率(volumetricphase fraction)(φi)和組分的密度(ρi)。
ρmix=Σi=1Nφiρi]]>其中連續(xù)性要求
Σi=1Nφi=1]]>系統(tǒng)10提供充氣流的密度的改進的測量。對于二組分混合物，知道密度(ρgas)，氣體體積分率(或SOS)和精確地測量混合物密度(ρmix)便提供了確定流體流的非氣體部分的密度(ρnongas)的手段。例如，對于二組分流體流ρmix＝ρnongasφnongas+ρgasφgas所以ρnongas＝(ρmix-ρgasφgas)/φnongas，其中φnongas＝1-φgas其中ρmix是混合物的密度，ρnongas，φnongas分別是流體流的非氣體組分的密度和相位分率以及ρgas，φgas分別是在混合物內(nèi)夾帶的氣體的密度和相位分率。
所以，知道氣體/空氣的密度(ρgas)、氣體的測量的氣體體積分率(φgas)、和要為夾帶的氣體補償?shù)某錃饬鞯母倪M密度測量(ρmix)使得能夠確定充氣流12的非氣體部分的密度(ρnongas)，這提供充氣流12的改進的合成信息。
本發(fā)明還構(gòu)想補償或改進科里奧利計16的質(zhì)量流率測量，如圖3所示。為了確定用于科里奧利計的改進的質(zhì)量流率，把計算的氣體體積分率和/或減小的頻率提供到處理單元21。改進的質(zhì)量流率是通過使用分析地得到的或根據(jù)經(jīng)驗得到的質(zhì)量流量校準模型(或由此得到的公式)而被確定的，它是測量的相位差(Δ)和至少一項確定的GVF、減小的頻率與聲音速度或它們的任何組合的函數(shù)，這將在后面更詳細地描述。為了確定用于科里奧利計的改進的密度，把計算的氣體體積分率和/或減小的頻率提供到處理單元21。改進的密度是通過使用分析地得到的或根據(jù)經(jīng)驗得到的密度校準/參數(shù)模型(或由此得到的公式)而被確定的，它是測量的固有頻率和至少一項確定的GVF、減小的頻率與聲音速度或它們的任何組合的函數(shù)，這將在后面更詳細地描述。改進的質(zhì)量流量測量結(jié)果是通過管道的充氣流的質(zhì)量流率。
雖然改進的質(zhì)量流量和改進的密度測量可以是GVF、SOS和減小的頻率的函數(shù)，但本發(fā)明設(shè)想這些改進的測量可以是諸如氣體阻尼ζgas那樣的其它參數(shù)的函數(shù)。
而且，雖然功能性框圖顯示處理單元21可以改進密度測量和科里奧利計16的密度測量，但本發(fā)明設(shè)想處理可能僅僅補償或改進密度和質(zhì)量流率參數(shù)之一。
對于此后給出的圖10的一個集總參數(shù)模型的結(jié)果證實了被歸因于充氣的、振動管密度計的長的被認知精度的惡化。該模型可被使用來定性地例示幾個支配在充氣流體中該計的性能的無量綱(non-dimensional)參數(shù)的角色。從這些模型可以得出結(jié)論，氣體體積分率起主導作用，而包括氣體阻尼ξgas和減小的頻率的幾個其它參數(shù)也影響性能。
雖然簡化的模型可以提供對各種參數(shù)的影響的某些了解，但由于多相的、非穩(wěn)定流體動態(tài)特性的內(nèi)在的復雜性，定量模型仍然難于定義。而且，與校正在液體的解譯密度中充氣的影響有關(guān)的困難不僅僅通過科里奧利計從工作在均勻的、準穩(wěn)定的參數(shù)空間的熟知設(shè)備變形到工作在復雜的、非均勻的、非穩(wěn)定的操作空間中的設(shè)備而復雜化，而且也通過當前的科里奧利計不能精確地確定在處理混合物中存在的充氣量而被復雜化。
本發(fā)明提供一種方法，其中過程流體的聲音速度測量與振動管密度計的固有頻率測量集成在一起，以形成具有增強的、在充氣流中精確地操作的能力的系統(tǒng)。引入實時的聲音速度測量便解決了在多個水平上充氣的影響，旨在使基于振動管的密度測量能夠繼續(xù)在存在夾帶的空氣的情形下以接近于對于不充氣液體的精度來報告液體密度。第二，聲音速度的實時測量與氣體體積分率的得到的測量然后通過根據(jù)經(jīng)驗得到的校正因子被利用，來改進在充氣流體的密度方面振動管的測量的固有頻率的解譯。第三，充氣混合物密度和充氣混合物聲音速度的組合知識，使能確定非充氣液體組分密度，提供改進的合成信息。應當指出，液相包括純液體、液體混合物、以及液體/固體混合物。
描述了改進充氣液體的、基于振動管的密度測量的精度的方法。對于大多數(shù)密度測量設(shè)備，在處理混合物內(nèi)小的但未知的夾帶氣相量的存在可在測量的混合物密度以及液相的解譯密度中引入很大的誤差。
本發(fā)明的一個實施例描述一種測量流體密度的方法，它把基于聲納的聲音速度測量與通常在科里奧利質(zhì)量與密度計中使用的、基于振動管的密度測量相結(jié)合，以確定充氣液體的密度。眾所周知，科里奧利計的精度可對于過程流體的充氣而大大地惡化。用聲音速度測量來增擴科里奧利計的輸出提供了一種新穎的方法，以便用兩種方式改進對于充氣流的密度測量。首先，基于聲音速度的氣體體積分率測量提供充氣的過程流體的氣體體積分率和可壓縮性的基于第一原理的實時測量。第二，過程流體的聲音速度可被使用來補償充氣混合物的增加的可壓縮性和不均勻性對于科里奧利密度測量的輸出的影響。
為了說明充氣影響振動管密度測量的基本方式，形成了用于振動管中充氣的影響的、簡化的集總參數(shù)模型。該模型說明充氣的影響可歸因于至少兩個獨立的機構(gòu)1)離散的氣泡的密度非均勻性，以及2)由于充氣引起的增加的混合物可壓縮性。分析結(jié)果得到實驗數(shù)據(jù)的支持，它們表明用聲音速度測量增擴來自科里奧利計的密度測量大大地增強了以接近于對于不充氣混合物的精度來確定充氣液體的密度的能力。
科里奧利密度測量雖然科里奧利計16的具體的設(shè)計參數(shù)有許多，并且是變化的，但所有的科里奧利計實質(zhì)上都是氣動彈性設(shè)備。氣動彈性力學是在描述耦合的流體動態(tài)和結(jié)構(gòu)動態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)互動研究(例如在空氣動力下飛行器的靜態(tài)和動態(tài)響應)的航空科學中發(fā)展出來的一個名詞?？评飱W利流量計依賴于表征填充流體的振動流管302的氣動彈性響應，以確定質(zhì)量流率和過程流體密度測量結(jié)果，見圖23和24。
在科里奧利計16中被使用來確定過程流體密度的物理原理類似于在振動管密度計中使用的原理。在這些設(shè)備中，過程流體12的密度通過把填充流體的管的固有頻率與過程流體的密度相關(guān)而被確定。為了說明這個原理，考慮填充真空的流管的振動響應。
在這個模型中，如圖4示意地顯示的，振蕩頻率由管的有效勁度(stiffness)(Kstruct)與管的有效質(zhì)量(mstruct)之間的比值給出。
fnat=12πKstructmstruct]]>把流體引入到管，改變了振蕩的固有頻率。在流體12的準穩(wěn)定和均勻的模型下，流體的主要影響是對管的慣性荷載。流體典型地對于系統(tǒng)的勁度具有可忽略的影響。因此，在這個模型的框架內(nèi)，流體12的質(zhì)量直接加到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，如圖5示意地顯示的。
在管中流體12的質(zhì)量正比于流體密度，所以，固有頻率隨流體密度增加而減小，如下面描述的fnat=12πKstructmstruct+βρfluid]]>其中β是與振動管的幾何結(jié)構(gòu)與振動特性有關(guān)的校準的常數(shù)。
通過重新安排，在振動管的測量的固有頻率fnat與管內(nèi)的流體密度之間的代數(shù)關(guān)系式可被寫為下式ρfluid=1β(Kstruct(2π)2fnat2-mstruct)]]>在定義流體的有效質(zhì)量與結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間的比值為α后，加載流體的管道的固有頻率被給出為fnat=fs11+α,]]>其中α≡mfluidmstruct]]>這個基本框架提供用來確定在大多數(shù)工作條件下的過程流體密度的精確的手段。然而，有關(guān)流體12與結(jié)構(gòu)的互動的某些基本假設(shè)在不同的工作條件下可惡化。具體地，在振蕩的管中充氣流體的性狀以兩個重要的方式與單相流體不同增加的可壓縮性和流體非均勻性。
流體可壓縮性眾所周知，大多數(shù)充氣液體比非充氣液體是顯著地更可壓縮的。流體的可壓縮性直接關(guān)系到流體12的聲音速度和密度。
混合物密度和聲音速度可以通過以下混合法則與組分的密度和聲音速度相聯(lián)系，這些法則可應用于單相和很好地散布的混合物，并且形成用于基于聲音速度的夾帶的空氣測量的基礎(chǔ)。
κmix=1ρmixamix∞2=Σi=1Nφiρiai2]]>其中ρmix=Σi=1Nρiφi]]>且κmix是混合物可壓縮度，以及φi是組分體積相位分率。
與以上的關(guān)系式一致，把空氣引入到水中大大地增加了混合物12的可壓縮度。例如，在環(huán)境壓力下，空氣的可壓縮度比水約高25,000倍。因此，加1％夾帶的空氣，使得混合物的可壓縮度增加250倍。概念上，可壓縮度的這種增加引入動態(tài)影響，它使得在振蕩的管內(nèi)充氣混合物的性狀的動態(tài)特性不同于基本上不可壓縮的單相流體的動態(tài)特性。
流體12的可壓縮性的影響可被合并到振動管的集總參數(shù)模型中，如圖6示意地顯示的。彈簧的勁度代表流體的可壓縮性。當可壓縮性趨近于零時，彈簧勁度趨近無窮，并且模型變?yōu)榈葍r于圖5上給出的情形。
像以前一樣，流體12的有效質(zhì)量正比于流體的密度和流管的幾何形狀。在圓截面導管中第一橫向聲音模式的固有頻率可被使用來估計該模型的適當?shù)膹椈沙?shù)。
f=1.84πDamix=12πKfluidmfluid]]>應當指出，這個頻率相應于約兩個直徑的聲振蕩的波長，即，這個橫模是與管的“半波長”聲共振密切有關(guān)的。圖7顯示1英寸管的第一橫向聲音模式的共振頻率作為在標準溫度和壓力下被夾帶在水中的空氣的氣體體積分率的函數(shù)。對于低水平的夾帶的空氣，第一橫向聲音模式的頻率與100Hz的科里奧利計的典型結(jié)構(gòu)共振頻率相比較是相當高的，然而，聲共振頻率隨夾帶空氣的水平的增加而快速地下降。
在表征氣動彈性系統(tǒng)時，定義減小的頻率參數(shù)以測定在耦合的動態(tài)系統(tǒng)之間互動的重要性常常是方便的。對于填充以流體的振動管，減小的頻率可被定義為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率與流體動力學系統(tǒng)的固有頻率的比值。
fred=fstructDamix]]>其中fstruct是真空中的管的固有頻率，D是管的直徑，以及amix是過程流體的聲音速度。對于此應用，由于減小的頻率與1相比較是可忽略的，所以系統(tǒng)接近于準穩(wěn)定工作。在這些情形下，諸如圖6所示的那樣的、忽略流體的可壓縮性的模型多半是合適的。然而，非穩(wěn)定性的影響隨越來越減小的頻率而增加。對于給定的科里奧利計，混合物聲音速度對于減小的頻率中的改變具有占主導的影響。圖8顯示對于具有100Hz的結(jié)構(gòu)固有頻率的1英寸直徑管，作為夾帶空氣的函數(shù)的減小的頻率曲線圖。如圖所示，減小的頻率對于非充氣的水是相當小的；然而，隨增加的氣體體積分率而快速地構(gòu)建，這指示可壓縮性的重要性隨氣體體積分率增加。然而，當考慮變化設(shè)計參數(shù)的科里奧利計時，管固有頻率或管直徑的增加將增加對于給定的充氣水平的非穩(wěn)定性的影響。
流體非均勻性除了大大地增加流體12的可壓縮性以外，充氣還給流體引入非均勻性。對于其中氣體被夾帶在液體連續(xù)流場的流狀況，充氣的一階影響可以通過使用氣泡原理進行建模。通過考慮被包含在具有ρ的密度的、非粘滯性的、不可壓縮的流體中且被流體設(shè)置成運動的、密度為ρ0的不可壓縮球的運動，指示球的速度被給出為Vsphere=3ρρ+2ρ0Vfluid]]>對于液體中大多數(shù)夾帶的氣體，球的密度約為低于液體密度的量級，以及氣泡的速度接近流體速度的三倍。
考慮到在球在振動管的截面中運動的上下文中的這個結(jié)果，球與剩余流體相比較的增加的運動必定導致一部分剩余的流體具有減小的參與振蕩的水平，從而導致減小的視在系統(tǒng)慣性(apparent system inertia)。
圖9顯示對于在填充充氣的液體的管的振蕩中非均勻性的影響的集總參數(shù)模型。在這個模型中，體積分率φ的氣泡40跨支點42被連接到具有體積2Γ的流體的補償質(zhì)量。支點被剛性地連接到外部管44。粘滯性的影響可以通過使用被連接來限制氣泡40相對于液體的其余部分和管本身的運動的阻尼器46被建模。在管道截面(1-3Γ)上液體的其余體積被填充以非粘滯性的流體。在非粘滯性的限制下，流體48(2Γ)的補償質(zhì)量不參與振蕩，以及質(zhì)量小的氣泡的速度變?yōu)楣芩俣鹊娜?。這個相對運動的影響是減小管內(nèi)流體的有效慣性到由均勻流體填充該管給出的(1-3Γ)倍。在高粘滯性的限制下，增加的阻尼常數(shù)使得在氣泡和液體之間的相對運動最小化，以及充氣的流體的有效慣性趨近1-Γ。通過這個充氣的、但不可壓縮的流體在管內(nèi)振蕩的模型來預測的有效慣性與在高的和低的粘滯性的限制下，由(Hemp等，2003)給出的那些模型一致。
人們應當理解，處理單元可以獨立地或與集總參數(shù)模型一起使用這些模型。
組合的集總參數(shù)模型對于充氣對振動管密度計的影響給出模型，其中可壓縮性和非均勻性的影響被獨立地解決。圖10顯示通過使用以上形成的、機制特定的模型而并入可壓縮性和非均勻性的影響的集總參數(shù)模型的示意圖。
以上的集總參數(shù)模型的運動的公式，假設(shè)解具有est的形式，其中s是復頻率，可以以無量綱的形式被表示為s+2αζfQ+2ζs1+αQ2-2αζfQ-αQ100-1s00002ζfQ-Q2(1-3Γ)s+2ζfQ+2ζgQ2-2ζg000-1s0000-2ζg02Γs+2ζg00000-1sy1x1y2x2y3x3=0]]>
支配該模型的動態(tài)響應的參數(shù)在以下的表1中定義。

表1對于被填充以可壓縮的充氣流體的管的集總參數(shù)模型的、支配運動的公式的無量綱參數(shù)的定義解決上述的六階本征值問題，便提供了評估各種參數(shù)對觀察的密度的影響的手段。通過本征值分析而預測的主要管模式的固有頻率被輸入到來自準穩(wěn)定的、均勻模型的頻率/密度，以確定流體12的視密度為如下ρapparent=ρliqα(fs2fobserved2-1)]]>作為基線條件，分析具有在表2中給出的參數(shù)的“代表性的”科里奧利計。

表2規(guī)定基線振動管密度計的參數(shù)對于給定的科里奧利計，充氣的水平對于實際的和視在的混合物密度之間的差別有占主導的影響。然而，由集總參數(shù)模型標識的其它參數(shù)也起重要的作用。例如，與氣泡相對于管內(nèi)流體的運動有關(guān)的阻尼參數(shù)ζgas是支配系統(tǒng)對充氣的響應的參數(shù)。ξgas對混合物的視密度的影響被顯示于圖11。如圖所示，對于ξgas趨近零，視密度趨近1-3Γ，即，該測量計低報告(under report)2Γ的充氣混合物的密度。然而，當ζgas增加時，視密度接近于1-Γ的實際的流體密度。
可壓縮性的影響顯示于圖12，在圖上，模型預測的觀察的密度被顯示為僅在管的固有頻率上不同的一系列測量計的氣體體積分率的函數(shù)。如圖所示，主要受到在給定的充氣水平下減小的工作頻率影響的管的固有頻率，可顯著地影響充氣流體的實際的和視在的密度之間的關(guān)系。
實驗數(shù)據(jù)如圖13所示，設(shè)施被構(gòu)建成實驗地估計科里奧利計對充氣的水的性能。該設(shè)施使用對單相水操作的mag計作為參考流速率和使用基于聲納的表100來監(jiān)視充氣混合物的氣體體積分率。
充氣液體的液體組分(即水)的密度，假設(shè)為常數(shù)。各種設(shè)計和制造的幾種科里奧利計被測試。圖14顯示由具有100Hz的結(jié)構(gòu)共振頻率的1英寸直徑管的科里奧利計測量的視密度。數(shù)據(jù)在從100到200gpm的流速率和16到26psi的科里奧利入口壓力范圍上被記錄。顯示了1-Γ的充氣混合物密度因子的理論上的正確密度，正如從1-3Γ的準穩(wěn)定非粘滯性氣泡理論得到的結(jié)果。還顯示了具有被調(diào)諧到0.02的ζgas的集總參數(shù)產(chǎn)生的密度因子。如圖所示，科里奧利計的視密度與由GVF計100測量的氣體體積分率是高度相關(guān)的。集總參數(shù)模型看來似乎也捕獲該趨勢。
圖15顯示由具有約300Hz的結(jié)構(gòu)共振頻率的1英寸直徑管的科里奧利計測量的視密度。數(shù)據(jù)在與前一計相似的流速率和入口壓力范圍上被記錄。再次地，顯示了1-Γ的充氣混合物密度因子的理論上的正確密度，正如從1-3Γ的準穩(wěn)定非粘滯氣泡理論得到的結(jié)果。還顯示了具有被根據(jù)經(jīng)驗調(diào)諧到0.007的ζgas的集總參數(shù)產(chǎn)生的密度因子。如同其它被測試的測量計一樣，科里奧利計16的視密度與由GVF計100測量的氣體體積分率是高度相關(guān)。在集總參數(shù)模型的輸出與密度計的輸出之間的相關(guān)性提供了用于評估充氣對過程流體12的視密度的影響的有用框架。
圖16上顯示在存在夾帶的空氣的條件下操作的聲音速度增強的科里奧利密度測量的性能。數(shù)據(jù)顯示在其間密度計經(jīng)受夾帶空氣的范圍從0到3％的變化量影響的、近似50分鐘的周期期間視密度、夾帶空氣和校正的液體密度的時間歷史。圖15給出的數(shù)據(jù)是結(jié)合實時夾帶空氣測量一起被使用來量化在過渡期間在實際的液體密度與視在液體密度之間的差值。如圖所示，由聲音速度增強的測量計報告的液體密度的精度大大地改進而優(yōu)于由基線表輸出的視密度。
實驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果表明夾帶的氣體對于基于振動管的密度測量的精度的重大影響。給出分析模型，例示增加的流體可壓縮性與非均勻性的影響可如何在過程流體的解譯的密度中引入重大誤差。分析模型例示充氣的影響如何與過程流體的氣體體積分率、振動管的減小的頻率、和其它參數(shù)相鏈接。雖然已例示了分析模型，但本發(fā)明設(shè)想經(jīng)驗模型可被使用來補償或改進科里奧利計16的密度和/或質(zhì)量流率。
給出的實驗數(shù)據(jù)表明與組合用基于振動管的密度計16進行的氣體體積分率和減小的頻率的實時測量有關(guān)的優(yōu)點可如何很大地改進充氣混合物密度測量以及混合物的未充氣液體部分的測量的精度。
質(zhì)量流量校正當前的現(xiàn)有技術(shù)水平看來似乎利用準穩(wěn)定模型和根據(jù)準穩(wěn)定模型的經(jīng)驗相關(guān)值，把測量的量與得到的流體參數(shù)相聯(lián)系。用于流體結(jié)構(gòu)互動的這個準穩(wěn)定模型看來似乎適用于對大多數(shù)工業(yè)過程流操作的大多數(shù)科里奧利計。準穩(wěn)定假設(shè)的有效性將隨管道內(nèi)流體的振動的減小的頻率而縮放。在準穩(wěn)定框架下，減小的頻率越多，科里奧利計變得越不精確。
對于在科里奧利計內(nèi)非穩(wěn)定影響的一個相關(guān)的減小的頻率是根據(jù)振動頻率、管直徑和過程流體聲音速度的減小的頻率f~D=fDamix]]>另一個相關(guān)的減小的頻率是根據(jù)科里奧利管的總長度的減小的頻率f~L=fLamix]]>應當指出，對于其中幾何結(jié)構(gòu)是固定的、任何給定的測量計設(shè)計，兩個減小的頻率是不獨立的，以及互相是純量倍數(shù)(scalar multiple)。對于給定的測量計，以上在減小的頻率中的變化主要由過程流體聲音速度中的變化來確定。
物理上，減小的頻率代表在聲音傳播通過特征長度所需要的時間與管振動一周所需要的時間之間的比值。從性能和精度方面看來，減小的頻率用來在流體與結(jié)構(gòu)的氣動彈性互動中捕獲非穩(wěn)定性的重要性。
在減小的頻率趨近零的限制下，處理過程可被建模為準穩(wěn)定的。科里奧利流量計的大多數(shù)分析模型將準穩(wěn)定模型用于流體/結(jié)構(gòu)互動。然而，對于非零的減小的頻率，非穩(wěn)定效果開始影響在所測量的結(jié)構(gòu)響應(即在測量計的兩個腿處的相位滯后和固有頻率)與所尋找的流體參數(shù)(即流體的質(zhì)量流量和流體密度)之間的關(guān)系。
然而，這里公開的內(nèi)容是使用基于聲音速度的氣體體積分率參數(shù)，與質(zhì)量流率的相位滯后有關(guān)的減小的頻率參數(shù)。
如果基于直徑的減小的頻率是不可忽略的，則來自流體的對管道的慣性負荷形成隨增加的頻率增加的輕微的相位滯后。對于根據(jù)流管的長度的不可忽略的減小的頻率，流速度中的振蕩可隨管道長度變化，潛在地引入測量計輸出中的誤差。
從量綱的角度看來，1英寸直徑科里奧利計流管以大約80Hz、1.5mm的最大振幅被驅(qū)動。為了說明起見，流管的長度估計為約1米。通過使用這些數(shù)字，對于范圍從1500m/s(過程液體典型的)和50m/s(對于氣泡混合物可能)的混合物聲音速度的、基于直徑和長度的減小的頻率被顯示于圖17。
如圖所示，由于二相流造成的混合物聲音速度的典型變化導致減小的頻率中的顯著變化。
因此，通過動態(tài)地減小混合物聲音速度，把氣體引入到液體混合物會大大地減小與科里奧利計有關(guān)的主振動的減小的頻率。如果在解譯時不考慮，則減小的頻率中的這種增加會使得準穩(wěn)定模型增加不精確性，并且導致質(zhì)量流量和密度中的誤差。
由于引入氣泡流體造成的、科里奧利計精度的這種減小在文檔上被很好地記載。事實上，其它人試圖通過把質(zhì)量流量中的觀察的誤差與過程流體內(nèi)氣體體積分率進行相關(guān)而校正夾帶空氣的影響。這些作者提出如下的根據(jù)GVF的校正。
R=2α1-α]]>其中α代表氣體體積分率而R代表通過由真實的質(zhì)量流量被歸一化的測量的(視在的)質(zhì)量流量中的減小。因此，通過使用這種相關(guān)，夾帶的空氣中的1％增加將導致實際質(zhì)量流量的約2％的低估。
雖然這個公式看來似乎捕獲了實驗觀察的總的趨勢，但它在這個領(lǐng)域中的使用具有兩個缺點。首先，科里奧利計16沒有測量氣體體積分率的直接方式。假設(shè)使用流體的測量的視密度來估計夾帶空氣的水平，然而，由于兩個基本測量，相位差和固有頻率，都受到科里奧利振動的減小的頻率的改變影響，所以這是成問題的。第二，氣體體積分率多半不是影響測量相位差和質(zhì)量流量與測量的固有頻率和密度之間的關(guān)系的唯一的變量。雖然氣體體積分率看來似乎在至少參數(shù)的某個范圍上相關(guān)，但問題的物理現(xiàn)象間接表明聲音速度經(jīng)由減小的頻率影響，也可以對解譯有直接的影響，正如以上顯出的。
在本公開內(nèi)容中所提出的是使用來自過程流體的直接聲音測量來幫助科里奧利計16的解譯。在這個解譯中，這里形成的減小的頻率參數(shù)被包括在振動管中的相位差與質(zhì)量流量之間的關(guān)系的解譯中，以及在過程流體密度方面，在解譯振蕩流管的固有頻率中直接作用。與過程液體和氣體組分以及過程溫度和壓力的知識相組合的聲音速度測量也使能直接測量夾帶的空氣。因此，減小的頻率參數(shù)和氣體體積分率可被使用來作為在質(zhì)量流量方面，在解譯相位滯后時的輸入。
由于在液體中空氣含量與混合物聲音速度之間的強烈的關(guān)系，在解譯科里奧利計的基本測量結(jié)果時減小的頻率參數(shù)的作用將在氣泡流中具有更突出的效果。然而，在各種液體和其它處理混合物中聲音速度且從而是操作的減小的頻率中的改變也對于在這些應用中使用的科里奧利計的解譯且因此是精度有影響?？紤]流的例子，科里奧利計對兩種液體--水和油-的性能。假設(shè)流體具有不同的密度和聲音速度。不同的流體特性建議科里奧利計將工作在不同的減小的頻率。用于水的減小的頻率典型地將比用于油應用的減小的頻率低約10％到30％。
認識到這一點，即雖然它們是不同的，但用于兩種應用的聲音速度減小的頻率仍舊是“小的”，則對精度的影響可能是不重要的。然而，某種程度的不精確性是由在這種應用中不考慮科里奧利計的操作的減小的頻率中的差值而引入的。
這里公開的基本概念是在接近環(huán)境壓力和溫度下在水和空氣環(huán)路中被顯示的。實驗裝配顯示于圖13。
在這個設(shè)施中，水從大的分離器的底部被泵浦通過mag計，它測量水的體積流率。然后，水流過SONARtrac夾帶空氣計，以便驗證水具有可忽略的夾帶的空氣。然后空氣被注入到水中，形成二相混合物。接著用第二SONARtrac計測量夾帶的空氣的量。已知的水和空氣組分的二相混合物然后通過3英寸彎管科里奧利計。所有的上述的計量設(shè)備的輸出s，其中連同水壓力和溫度一起被記錄。通過使用這個信息，與工作在充氣液體中的科里奧利計有關(guān)的誤差可被確定和被畫出作為基于聲音速度的參數(shù)的函數(shù)。在本例中，科里奧利計性能被表征為氣體體積分率的函數(shù)。質(zhì)量流量、混合物密度、和觀察的混合物密度中的誤差被顯示于圖18。
如圖所示，誤差確實是顯著的。在2％的夾帶空氣時，科里奧利計過量報告15％的質(zhì)量流量和欠報告2％的混合物密度。由該計報告的實際的密度，如果被解譯為該計中的液體相位的密度，則將有大概4％的誤差。
對于本例，質(zhì)量流量誤差通過聲音速度夾帶空氣的基于聲音速度的氣體體積分率而被參數(shù)化。這種參數(shù)依賴性由曲線圖上顯示的公式給出。
質(zhì)量因子＝0.0147gvf^3-0.0018gvf^2+0.0041gvf+1.0009這種相關(guān)然后被使用來在存在夾帶空氣的條件下校正科里奧利計質(zhì)量流量。圖19顯示數(shù)據(jù)的時間序列，其中科里奧利計的夾帶空氣注入的上行流的量以小的增量變化，這樣，總的夾帶空氣的水平的范圍從0到2％。如圖所示，科里奧利計登記和由于夾帶空氣造成的質(zhì)量流量中的顯著誤差(高達15％)，為了說明，所采用的基于氣體體積分率的相關(guān)成功地將質(zhì)量流量誤差校正到大概1％以內(nèi)。
圖20顯示如這里以前描述的、圖2的氣體體積分率計100。GVF計100包括被布置在管道14上的傳感裝置116和處理單元124。傳感裝置116包括基于應變的傳感器或壓力傳感器118-121的陣列，用于測量由通過流12傳播的聲波所產(chǎn)生的非穩(wěn)定壓力，以確定聲音速度(SOS)。壓力信號P1(t)-PN(t)被提供到處理單元124，它使得壓力信號數(shù)字化和計算SOS與GVF參數(shù)。電纜113把傳感裝置116電子地連接到處理單元124。模擬壓力傳感器信號P1(t)-PN(t)典型地是4-20毫安電流環(huán)路信號。
壓力傳感器118-121的陣列包括沿其中傳播一過程流112的管道14的外表面122軸向地間隔開的至少兩個壓力傳感器118，119的陣列。壓力傳感器118-121可通過任何可解開的緊固件，諸如螺栓、螺釘、和夾具，而被夾持在管道上或通?？刹鹦兜匕惭b到管道上。替換地，傳感器可以永久地附著到管道14、與管道14端口連接或集成(例如嵌入)。傳感裝置116的傳感器的陣列可包括大于兩個傳感器的任何數(shù)目的壓力傳感器，諸如在2與24個傳感器之間的3個、4個、8個、16個或N個傳感器。通常，當陣列中的傳感器數(shù)目增加時，測量精度得以改進。由更大數(shù)目的傳感器提供的精確度被用于計算想要的流的輸出參數(shù)的復雜性和時間方面的增加而抵銷。所以，所使用的傳感器的數(shù)目至少依賴于想要的精確度和由儀器100提供的輸出參數(shù)的想要的更新速率。壓力傳感器118-119測量由通過流傳播的聲波產(chǎn)生的非穩(wěn)定壓力，它們指示在管道中通過流體流傳播的SOS。壓力傳感器118-121的輸出信號(P1(t)-PN(t))被提供到前置放大器單元139，它放大由壓力傳感器118-121生成的信號。處理單元124處理壓力測量數(shù)據(jù)P1(t)-PN(t)和確定流12的想要的參數(shù)與特性，如前面描述的。
儀器100還設(shè)想提供一個或多個聲源127，使能測量通過例如聲學上的安靜流的流傳播的聲音速度。聲源可以是一個設(shè)備，例如在管道壁上輕敲或振動。聲源可被放置在傳感器118-121陣列的輸入端或輸出端或在這兩個端，如圖所示。人們應當理解，在大多數(shù)實例中，聲源不是必需的，以及該儀表無源地檢測在流12中提供的聲脊(acoustic ridge)，正如此后更詳細地描述的。無源噪聲包括由泵、閥門、發(fā)動機、和湍流混合物本身生成的噪聲。
正如此后建議和進一步更詳細地描述的，儀器10具有通過測量由通過流12傳播的聲擾動造成的非穩(wěn)定壓力而測量聲音速度(SOS)的能力。知道或估計流的壓力和/或溫度以及聲擾動或波的聲音速度后，處理單元124可以確定氣體體積分率，諸如在以下的專利申請中描述的2003年1月23日提交的美國專利申請No.10/349,716(CiDRA檔案號No.CC-0579)，2003年2月26日提交的美國專利申請No.10/376,427(CiDRA檔案號No.CC-0596)，2004年1月21日提交的美國專利申請No.10/762,410(CiDRA檔案號No.CC-0703)，這些專利申請全部在此引用以供參考。
類似于圖20的儀器100，實施本發(fā)明的儀器200具有沿管道14軸向地被放置在兩個位置x1，x2處的至少兩個壓力傳感器118，119的陣列，用于傳感處在管道內(nèi)在它們的各個位置處的、在傳感器118，119之間傳播的各個隨機信號。每個傳感器118，119提供指示在每個傳感器位置處的、在一系列采樣時刻的每個時刻處的非穩(wěn)定壓力的信號。人們將會理解，傳感器陣列可包括兩個以上的壓力傳感器，如在位置x3，xN處的壓力傳感器120，121顯示的。由聲壓擾動生成的壓力可以通過基于應變的傳感器和/或壓力傳感器118-121被測量。壓力傳感器118-121把模擬壓力時變信號P1(t)，P2(t)，P3(t)，PN(t)提供到信號處理單元124。處理單元124處理壓力信號，首先提供指示通過流12傳播的聲音速度的輸出信號151，155，隨后，響應于由通過流12傳播的聲波生成的壓力擾動而提供GVF測量。
處理單元124接收來自傳感器118-121的陣列的壓力信號。數(shù)據(jù)捕獲單元154對于與通過管道114傳播的聲波14有關(guān)的壓力信號P1(t)-PN(t)進行數(shù)字化。FFT邏輯156計算數(shù)字化的基于時間的輸入信號P1(t)-PN(t)的傅利葉變換，并提供指示輸入信號的頻率內(nèi)容的復數(shù)頻域(或基于頻率的)信號P1(ω)，P2(ω)，P3(ω)，PN(ω)。
數(shù)據(jù)累積器158累積來自傳感器的附加信號P1(t)-PN(t)，并且把在采樣間隔上累積的數(shù)據(jù)提供到陣列處理器160，它執(zhí)行傳感器信號的空間-時間(二維)變換，從xt域到k-ω域，然后計算在k-ω平面上的功率，正如由k-ω曲線圖代表的，類似于由該對流(convective)陣列處理器146提供的。
為了計算在k-ω平面上的功率，正如由信號或差分信號的k-ω曲線(見圖22)代表的，陣列處理器160確定波長且因此確定(空間)波數(shù)k，以及還有隨機參數(shù)的各個頻譜成分的各個(時間)頻率與角頻率ω。在公共域中有多個可得到的算法，用來執(zhí)行傳感器單元118-121的陣列的空間/時間分解。
在兩個軸方向存在適當?shù)穆暡ǖ那樾蜗?，這樣確定的、在圖22的k-ω曲線圖上顯示的k-ω平面上的功率將呈現(xiàn)在曲線圖的左和右平面上被稱為聲脊170，172的結(jié)構(gòu)，其中一個聲脊170指示沿一個軸方向行進的聲音的速度，而另一個聲脊172指示沿另一個軸方向行進的聲音的速度。聲脊代表通過流傳播的隨機參數(shù)的集中度，并且是上述的、在空間變化與時間變化之間的關(guān)系式的數(shù)學表現(xiàn)形式。這樣的曲線圖指示k-ω對或多或少沿具有某個斜率的直線170，172出現(xiàn)的趨勢，斜率指示聲音速度。
這樣確定的、在k-ω平面上的功率然后被提供到聲脊識別器162，它使用一個或另一個特性提取方法來確定在左和右k-ω平面上存在的任何聲脊的位置和取向(斜率)。速度可以通過使用兩個聲脊170，172之一的斜率，或通過平均聲脊170，172的斜率而被確定。
最后，包括聲脊取向(斜率)的信息被分析器164使用來確定與測量的聲音速度有關(guān)的流參數(shù)，諸如流的一致性或組合、流的密度、流中粒子的平均尺寸、流的空氣/質(zhì)量比、流的氣體體積分率、通過流傳播的聲音速度、和/或流內(nèi)的夾帶空氣的百分數(shù)。
陣列處理器160使用標準的所謂的波束成形、陣列處理、或自適應陣列處理算法、即用于通過使用各種延時和加權(quán)來創(chuàng)建在由不同的傳感器提供的信號之間的適當相位關(guān)系，而處理傳感器信號的算法，由此創(chuàng)建相控陣天線功能性。換句話說，波束形成或陣列處理算法把來自傳感器陣列的時域信號變換成它們的空間和時間頻率分量，即變換成由k＝2π/λ給出的一組波數(shù)，其中λ是頻譜成分的波長，以及由ω＝2πν給出的相應的角頻率。
確定通過流12傳播的聲音速度的一個這樣的技術(shù)是使用陣列處理技術(shù)來規(guī)定在k-ω平面上的聲脊，如圖22所示。聲脊的斜率指示在流12中傳播的聲音速度。聲音速度(SOS)是通過應用聲納陣列處理技術(shù)來確定一維聲波傳播經(jīng)過沿管道14分布的非穩(wěn)定壓力測量的軸向陣列所用的速度而被確定的。
本發(fā)明的儀器200測量傳播通過混合物的一維聲波的聲音速度(SOS)來確定混合物的氣體體積分率。眾所周知，在諸如聲納和雷達領(lǐng)域那樣的領(lǐng)域中聲音以不同的速度傳播通過各種媒體。傳播通過管道和流12的聲音的速度可以通過使用諸如在以下專利申請中闡述的、多個已知的技術(shù)被確定1999年6月25日提交的美國專利申請序列號No.09/344,094，現(xiàn)在是US 6,354,147；2004年3月4日提交的美國專利申請序列號No.10/795,111；2001年11月28日提交的美國專利申請序列號No.09/997,221，現(xiàn)在是US 6,587,798；2001年11月7日提交的美國專利申請序列號No.10/007,749；以及2004年1月21日提交的美國專利申請序列號No.10/762,410，這些專利申請每個都在此引用以供參考。
雖然顯示了使用傳感器118-121的陣列來測量在混合物中傳播的聲波聲音速度的基于聲納的流量計，但將會看到，任何用于測量聲波的聲音速度的手段都可被使用來確定混合物/流體的夾帶的氣體體積分率或以前描述的流的其它特性。
處理單元124的分析器164提供指示與傳播通過流12的測量的聲音速度(SOS)有關(guān)的過程流12的特性的輸出信號。例如，為了確定氣體體積分率(或相位分率)，分析器164假設(shè)對于流12的接近等溫的條件。這樣，氣體體積分率或空隙率通過以下二次方程與聲音速度相聯(lián)系
Ax2+Bx+C＝0其中x是聲音速度，A＝1+rg/rl*(Keff/P-1)-Keff/P，B＝Keff/P-2+rg/rl；C＝1-Keff/rl*ameas^2)；Rg＝氣體密度，rl＝液體密度，Keff＝有效K(液體和管道壁的模)，P＝壓力，以及ameas＝測量的聲音速度。
實際上，氣體體積分率(GVF)＝(-B+sqrt(B^2-4*A*C)/)(2*A)替換地，混合物的聲音速度可以通過Wood方程而與組分的體積相位分率(φi)和組分的聲音速度(a)和密度(ρ)相聯(lián)系。
1ρmixamix∞2=Σi=1Nφiρiai2,]]>這里ρmix=Σi=1Nρiφi]]>在被包含在管道14內(nèi)的流12內(nèi)傳播的一維壓縮波在管道上加上非穩(wěn)定的內(nèi)部壓力負荷。由于非穩(wěn)定壓力負荷造成的管道位移的程度影響壓縮波的傳播的速度。在混合物的無窮域聲音速度和密度；真空后襯(vacuum-backed)的圓柱導管的彈性模量(E)、厚度(t)、和半徑(R)；以及對于一維壓縮的有效傳播速度(aeff)之間的關(guān)系由以下表達式給出aeff=11/amix∞2+ρmix2REt(eq1)]]>混合法則實際上闡述混合物的可壓縮性(1/(ρa2))是組分的可壓縮性的體積加權(quán)平均。對于在紙和泵浦工業(yè)的典型的壓力與溫度下的氣體/液體混合物12，氣相的可壓縮性約是比液體的可壓縮性更大的量級。因此，氣相的可壓縮性和液相的密度主要確定混合物聲音速度，這樣，必須具有對處理壓力的良好的估值，以便根據(jù)夾帶的氣體的體積分率來解譯混合物聲音速度。過程壓力對聲音速度與夾帶的空氣體積分率之間的關(guān)系的影響顯示于圖23。
在處理單元24內(nèi)的某些或所有的功能可以以軟件(使用微處理器或計算機)和/或固件被實施，或者可以通過使用具有足夠的存儲器、接口和能力的模擬和/或數(shù)字硬件來實施以執(zhí)行這里描述的功能。
雖然如圖2，20，和21所示的本發(fā)明的實施例顯示被放置在管道上的壓力傳感器118-121與科里奧利計分開，但本發(fā)明設(shè)想，GVF計100可以與科里奧利計集成，由此提供如圖24和25所示的單個儀器。正如這些圖中顯示的，壓力傳感器118-121可被放置在科里奧利計300，310的管302之一或二者上。
參照圖24，提供雙管302科里奧利計300，其具有被放置在科里奧利計的管302上的壓力傳感器118-121，318-320的陣列。在本實施例中，壓電材料帶條50的陣列被放置在網(wǎng)上且被夾持到管302上作為單一包裝。這種結(jié)構(gòu)類似于在2004年3月4日提交的美國專利申請序列號No.10/795,111中描述的，該專利申請在此引用以供參考。類似于這里以前描述的，壓力信號被提供到處理單元以計算SOS、GVF和減小的頻率中的至少一項。
圖25顯示把壓力傳感器118-121集成到科里奧利計310內(nèi)的、本發(fā)明的另一個實施例。與將聲納陣列集成到科里奧利計的現(xiàn)有覆蓋區(qū)中有關(guān)的優(yōu)點有許多，且包括成本優(yōu)點、市場推廣優(yōu)點、和潛在的性能優(yōu)點。
在科里奧利計中采用的流管302有許多并且是變化的。典型地，流被從附著科里奧利計的管道的中心線轉(zhuǎn)移開，然而，也可以引入采用與處理管道一致的直管的科里奧利計。最通用的類型是如圖25所示的U管科里奧利計。不管變化的形狀如何，科里奧利流管典型地是長的和相對較瘦的、彎曲的或直的。對于彎管科里奧利計，流管典型地具有恒定的且比附著該測量計的管道14減小的截面積，導致通過流管的增加的流體速度。這兩個特性使得流管很適合于作為用于低頻聲波的聲波導。
低頻聲波導涉及到波長顯著地大于流管302的直徑的波。正如我們將看到的，對于科里奧利計流管，典型地直徑為1英寸量級，這種低頻定義不是非常嚴格的。因此，對于輸送水的1英寸直徑流管，具有顯著地低于60,000Hz的頻率的聲波被認為是低頻(1英寸*(1英尺/12英寸)*5000英尺/秒)。
對于這些低頻波，科里奧利流管302的彎曲對于聲的傳播速度沒有很大的影響。因此，科里奧利流管302很適合于用作為其上部署用來確定混合物的氣體體積分率聲音速度的傳感器陣列的波導。
大多數(shù)科里奧利計具有高度調(diào)諧的、很好地平衡的流管組。重要的是使得傳感器對流管的動態(tài)特性的任何影響最小化。對于圖25所示的U管，所顯示的傳感器被部署在該測量計的主體306附近，這里管302或者基本上是懸臂的。通過在這個位置處附著重量輕、基于應變的傳感器118-121，流管的動態(tài)特性應當基本上不受傳感器陣列影響。而且，把兩組傳感器118，119和120，121放置在末端，允許傳感器陣列孔徑(aperture)橫跨整個流管。如這里描述地裝備流管，使得被包含在科里奧利計內(nèi)的傳感器陣列的孔徑最大化。在末端附近放置多個傳感器，但相對較緊密的間隔開的傳感器，導致非均勻的間隔開的陣列。用這樣的陣列處理的初始數(shù)據(jù)指示這個方法將是合適的。
雖然圖24和25的集成的科里奧利計300，310是U形的，但本發(fā)明設(shè)想，該傳感器陣列可以同樣放置在直管科里奧利計的管中。
對于這里描述的任何實施例，包括電應變儀、光纖和/或特別是如這里描述的格柵的壓力傳感器可以通過粘合劑、膠、環(huán)氧樹脂、帶子或保證傳感器與管道之間適當接觸的其它適用的附著手段被附著。傳感器替換地可以是經(jīng)由諸如機械緊固件、裝彈簧的、夾持的、蛤殼式裝置、搭接或其它等價物那樣的已知機械技術(shù)來可拆卸地或永久地被附著。替換地，包括光纖和/或格柵的應變儀可被嵌入到復合管道中。如果想要的話，對于某些應用，如果希望，則格柵可以從管道被拆卸(或應變或在聲學上與管道隔離)。
任何其它應變傳感技術(shù)可被使用來測量管道中應變的變化，諸如被附著到或被嵌入到管道中的高度敏感的壓電的、電子的或電的應變儀，這也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。加速度計也可以被使用來測量非穩(wěn)定壓力。另外，可以使用其它壓力傳感器，正如在許多上述的專利中描述的，這些專利在此引用以供參考。
在另一個實施例中，傳感器可包括壓膜(piezofilm)或帶條(例如，PVDF)，正如在至少一個上述的專利申請中描述的。
雖然例示顯示在科里奧利計的管中安裝或集成了四個傳感器，但本發(fā)明設(shè)想在該陣列中有任何數(shù)目的傳感器，正如在至少一個上述的專利申請中教導的。另外，本發(fā)明設(shè)想傳感器陣列可被安裝或被集成到具有諸如扭結(jié)形狀、U形(如圖所示)、直管和任何其它曲線形狀的科里奧利計的管。
本發(fā)明還設(shè)想提供允許在陣列中使用更大數(shù)目的傳感器的拉長的、非振動(振蕩)部分。
雖然本發(fā)明描述一個傳感器陣列用于測量聲音通過流傳播的速度以用在解譯科里奧利力與通過科里奧利計的質(zhì)量流量之間的關(guān)系中，但存在幾種其它的方法。
例如，對于有限范圍的流體，超聲設(shè)備可被使用來確定進入的流體的聲音速度。應當指出，理論指示，如果過程流體的聲音速度在解譯中被測量和被使用，則科里奧利計的解譯將對于所有流體都得以改進。因此，知道流體的聲音速度是5000英尺/秒，正如類似水的物質(zhì)那樣，與1500英尺/秒相比較，正如比如說超臨界的乙烯那樣，將改進基于科里奧利的流和密度測量的性能。這些測量可以通過使用現(xiàn)有的超聲波測量儀來實際地被執(zhí)行。
確定流體的聲音速度的另一個方法是測量流管的聲音模式的共振頻率。當被安裝在流線中時，與從管道到典型地小得多的流管的過渡有關(guān)的截面積改變造成聲阻抗的很大的改變。由于阻抗的這種改變的結(jié)果，流管在某種程度上相當于共振腔。通過跟蹤這個腔的共振頻率，可以確定占有該腔的流體的聲音速度。這可以通過被安裝在科里奧利計或安裝在被附著到科里奧利計的管道網(wǎng)絡的單個壓敏設(shè)備來執(zhí)行。
更一般的方面，本發(fā)明設(shè)想通過使用用于測量流體流的氣體體積分率的任何方法或裝置來增擴科里奧利計的性能的能力。
在如圖20所示的本發(fā)明的一個實施例中，每個壓力傳感器118-121可包括壓電薄膜傳感器，通過使用這里以前描述的任一項技術(shù)來測量流體流12的非穩(wěn)定壓力。
壓電薄膜傳感器包括壓電材料或薄膜，以生成正比于材料被機械變形或受應力的程度的電信號。壓電傳感元件典型地適應以允許感應應變的、完全或接近完全的環(huán)境測量，以便提供周向平均的壓力信號。傳感器可以從PVDM膜、共聚物膜或撓性PZT傳感器形成，類似于在由Measurement Specialisties，Inc.提供的“Piezo Film Sensors TechnicalManual(壓膜傳感器技術(shù)手冊)”中描述的，該手冊在此引用以供參考。可被使用于本發(fā)明的壓電薄膜傳感器是由Measurement Specialisties，Inc.制造的、零件號1-1002405-0，LDT4-028K。
壓電薄膜(“壓膜”)，像壓電材料那樣，是形成正比于機械應力的改變的電荷的動態(tài)材料。因此，壓電材料測量在管道14內(nèi)由于處理混合物12內(nèi)非穩(wěn)定壓力變化(例如聲波)而感應的應變。在管道內(nèi)的應變通過附著的壓電傳感器而換能成輸出電壓或電流。壓電材料或薄膜可以由諸如極化的含氟聚合物、聚偏氟乙烯(PVDF)那樣的聚合物形成。壓電薄膜傳感器類似于在美國專利申請序列號No.10/712,818(CiDRA檔案號No.CC-0675)，美國專利申請序列號No.10/712,833(CiDRA檔案號No.CC-0676)，和美國專利申請序列號No.10/795,111(CiDRA檔案號No.CC-0732)中描述的傳感器，這些專利申請都在此引用以供參考。
本發(fā)明的另一個實施例包括諸如管道應變傳感器、加速度計、速度傳感器或位移傳感器那樣的、在后面討論的壓力傳感器，其被安裝在帶上以使得壓力傳感器能夠被夾持到管道上。傳感器可以是經(jīng)由諸如機械緊固件、裝彈簧的、夾持的、蛤殼式裝置、帶子或其它等價物那樣的已知機械技術(shù)來可拆卸地或永久地被附著。這些特定類型的壓力傳感器可期望用于管道12以呈現(xiàn)一定量的管道柔量。
在沿管道12的軸向位置處，代替單點壓力傳感器118-121，可以在每個軸向位置處在管道12的周界周圍使用兩個或多個壓力傳感器。在給定的軸向位置處、來自周界周圍的傳感器的信號可被平均以提供截面(或周界)平均的、非穩(wěn)定的聲壓測量。也可以使用其它數(shù)目的聲壓傳感器和環(huán)形間隙。平均多個環(huán)形壓力傳感器便減小了來自擾動和管道振動以及與管道12中的一維聲壓波無關(guān)的其它噪聲源的噪聲，由此創(chuàng)建壓力傳感器的空間陣列，幫助表征管道12內(nèi)的一維聲場。
這里描述的圖20的壓力傳感器118-121可以是任何類型的、能夠測量管道14內(nèi)非穩(wěn)定的(或ac或動態(tài)的)壓力的壓力傳感器，諸如壓電、光的、電容性的、電阻性的(例如惠斯頓電橋)、加速度計(或地音探聽器)、速度測量裝置、位移測量裝置等等。如果使用光的壓力傳感器，傳感器118-121可以是基于布拉格光柵的壓力傳感器，諸如在1997年9月8日提交的、題目為“High Sensitivity Fiber Optic Pressure Sensor forUse in Hash Environments(用于Hash環(huán)境中的高靈敏度光纖壓力傳感器)”的美國專利申請序列號No.08/925,598，現(xiàn)在是US專利6,016,702，和題目為“Non-Intrusive Fiber Optic Pressure Sensor for MeasuringUnsteady Pressure within a Pipe(測量管道中的非穩(wěn)定壓力的非侵入式光纖壓力傳感器)”的美國專利申請序列號No.10/224,821中描述的傳感器，它們被在此引用以供參考。在利用光纖作為壓力傳感器14的本發(fā)明的實施例中，它們可以單獨地連接或可以通過使用波分復用(WDM)、時分復用(TDM)或任何其它光復用技術(shù)技術(shù)沿一條或多條光纖被復接在一起。
在本發(fā)明的某些實施例中，壓電電子(piezo-electronic)壓力換能器可被用作為一個或多個壓力傳感器115-118，它可以通過測量管內(nèi)的壓力水平而測量管道或管14內(nèi)非穩(wěn)定的(或動態(tài)或ac)壓力變化。這些傳感器可以在管道內(nèi)端口對接，使得與混合物12直接接觸。在本發(fā)明的實施例中，傳感器14包括由PCB Piezotronics制造的壓力傳感器。在一個壓力傳感器中有集成電路壓電電壓模式-型傳感器，其特征為內(nèi)建的微電子放大器，并且它把高阻抗電荷變換成低阻抗電壓輸出。具體地，使用由PCB Piezotronics制造的Model 106B，它是高靈敏度、加速度補償?shù)募呻娐穳弘娛毫鞲衅鳎m合于測量液壓和氣動系統(tǒng)中的低壓力聲學現(xiàn)象。它具有測量在高靜態(tài)條件下小于0.001psi的小的壓力改變的獨特的能力。106B具有300mV/psi靈敏度和91dB(0.0001psi)的分辨率。
壓力傳感器并入一個內(nèi)建的MOSFET微電子放大器來把高阻抗電荷輸出變換成低阻抗電壓信號。傳感器由恒流源供電，并且可在長的同軸或帶狀電纜上工作而沒有信號降級。低阻抗電壓信號不受摩擦電的電纜噪聲或絕緣電阻-降級污染影響。用來使集成電路壓電傳感器運行的電源通常取低成本、24到27伏、2到20毫安恒流源的形式。本發(fā)明的數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)可以并入恒流源，用于給集成電路壓電傳感器直接供電。
大多數(shù)壓電壓力傳感器由被預先裝載在剛性外殼中的壓縮模式石英晶體，或無約束的電氣石晶體構(gòu)成。這些設(shè)計給傳感器以微秒響應時間和幾百kHz的共振頻率，具有最小的過沖或阻尼振蕩。小的振膜直徑保證窄沖擊波的空間分辨率。
壓電壓力傳感器系統(tǒng)的輸出特性是AC-耦合的系統(tǒng)的輸出特性，其中重復的信號衰變，直至在原先的基線以上和以下有相等的面積為止。當監(jiān)視的事件的幅度水平起伏時，輸出保持圍繞基線而穩(wěn)定化的，使曲線的正的和負的面積保持相等。
任何應變傳感技術(shù)可被使用來測量管道中應變的變化，諸如被附著到管道12的高靈敏度壓電、電子或電的、應變儀和壓阻應變儀，這也是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。其它應變儀包括具有跑道配置的電阻性箔型儀，類似于在1999年6月25日提交的、美國專利申請序列號No.09/344,094，現(xiàn)在是US 6,354,147中公開的傳感器，這個專利申請在此引用以供參考。本發(fā)明還設(shè)想被布置在管道12的周界的預定部分附近的的應變儀。應變傳感器的軸向放置和在應變傳感器之間的分開距離ΔX1，ΔX2如上所述地被確定。
任何其它應變傳感技術(shù)可被使用來測量管中應變的變化，諸如被附著到或被嵌入在管14中的高靈敏度壓電、電子或電的應變儀，這也是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
雖然描述了多個傳感器，但將會看到，用來測量通過流體傳播的聲音的速度的任何傳感器可被使用于本發(fā)明，包括超聲傳感器。
這里描述的任何實施例的尺度和/或幾何結(jié)構(gòu)僅僅用于說明的目的，這樣，從這里的教導看來，如果想要的話，可以根據(jù)應用、尺寸、性能、制造要求、或其它因素，使用任何其它尺度和/或幾何結(jié)構(gòu)。
應當看到，除非另外敘述，關(guān)于這里的特定實施例描述的任何特性、特征、替換例或修正方案也可被應用于、使用于或與這里描述的任何其它實施例合并。而且，這里的附圖也不是按比例畫的。
雖然本發(fā)明是對于其示例性實施例描述和顯示的，但可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的條件下在其中和對其作出上述的和各種其它添加和省略。
權(quán)利要求
1.一種用于測量在管道中流動的流體的密度的流測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)包括科里奧利計，其具有至少一個其中有流體流過的管，科里奧利計提供指示該管的固有頻率的頻率信號和/或指示在一對管之間的相位差的相位信號；流測量設(shè)備，其測量聲音通過該流體傳播的速度，該測量設(shè)備提供以下中的至少一項指示聲音通過流體傳播的速度的SOS信號、指示流體的氣體體積分率的GVF信號、和指示流體的減小的頻率的減小頻率；以及處理單元，其根據(jù)SOS信號、GVF信號、和減小的頻率信號與相位信號中的至少一項來確定補償?shù)馁|(zhì)量流率測量，和/或根據(jù)SOS信號、GVF信號、和減小的頻率信號與該頻率信號中的至少一項來確定補償?shù)拿芏葴y量。
2.權(quán)利要求1的測量系統(tǒng)，其中聲音速度測量被使用來確定在流體的流中的氣體體積分率(GVF)。
3.權(quán)利要求1的測量系統(tǒng)，其中科里奧利計包括至少一個管，其具有被安排在其上的、用于對在其中流動的流體執(zhí)行聲音速度測量的傳感器陣列。
4.權(quán)利要求3的測量系統(tǒng)，其中傳感器陣列包括基于應變的傳感器。
5.權(quán)利要求1的測量系統(tǒng)，其中科里奧利計包括一個管，其具有被安排在其上的、用于對在其中流動的流體執(zhí)行聲音速度測量的聲音速度傳感設(shè)備。
6.權(quán)利要求1的測量系統(tǒng)，其中科里奧利計包括被安排在管道上的、用于對在其中流動的流體執(zhí)行聲音速度測量的聲音速度傳感設(shè)備。
7.權(quán)利要求1的測量設(shè)備，其中科里奧利計的管是彎曲的或直的。
8.權(quán)利要求1的測量設(shè)備，其中處理單元根據(jù)SOS信號和補償?shù)拿芏葴y量來確定指示流體的非充氣部分的密度的合成信號。
全文摘要
提供一種流測量系統(tǒng)，用來提供補償?shù)馁|(zhì)量流率測量與補償?shù)拿芏葴y量中的至少一項。該流測量系統(tǒng)包括與科里奧利計相組合的氣體體積分率(GVF)計。GVF計測量通過流體傳播的聲壓，以測量通過流體傳播的聲音的速度α
文檔編號G01F15/00GK1853088SQ200480026508
公開日2006年10月25日 申請日期2004年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月15日
發(fā)明者D·L·吉斯林, P·柯里, D·H·洛澤, T·E·巴納赫 申請人:塞德拉公司