專利名稱：用于確定流動特性的科里奧利流量計和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于確定流動特性的科里奧利流量計和方法，更特 別地涉及一種使用兩個或更多個振動響應來確定流動特性的科里奧利 流量計和方法。
背景技術：
振動管道傳感器，例如科里奧利質量流量計，典型地通過檢測包含 流動物質的振動管道的運動來操作。與管道中的物質相關聯的特性，例 如質量流量、密度等等，可以通過處理從與管道相關聯的運動換能器接 收的測量信號而被確定。振動物質填充系統(tǒng)的振動模式一般受到所述包響。 、、 、 、、、 、、 又 、一個典型的科里奧利質量流量計包括一個或多個管道，這些管道被串聯連4妄在管線或其他運輸系統(tǒng)中，并且在該系統(tǒng)中運送i者如液體、泥 漿等等之類的物質。每個管道可以被看作具有一組固有振動模式，所述 固有振動模式例如包括單純彎曲、扭轉、徑向和耦合模式。在一個典型 的科里奧利質量流量測量應用中，當物質流過管道時，以一種或多種振 動模式對管道進行激勵，并且在沿該管道隔開的各個點處測量該管道的 運動。激勵通常由致動器例如機電設備來提供，比如音圏型驅動器，其 以周期性方式擾動該管道。通過測量在多個換能器位置處的運動之間的 時間延遲或相位差，可以確定質量流速。通常采用兩個這樣的換能器(或 者拾取傳感器)，以便測量所述一個流動管道或者多個管道的振動響 應，并且所述兩個這樣的換能器通常位于致動器的上游和下游位置。這 兩個拾取傳感器通過電纜線路例如兩對獨立的導線被連接到電子儀 器。該儀器從這兩個拾取傳感器接收信號，并且處理該信號以便導出質 量流速測量值。傳統(tǒng)的科里奧利質量流量計提供對流過流量計的流動介質的質量 流速、密度和溫度的連續(xù)測量。然而，流動介質的任何流動特性的變化 都可引起在流量計上加載的質量的增加或減少，因此尤其在所指示的密 度中將引起誤差。振動元件換能器例如科里奧利質量流量計或密度計的設計者通常 試圖使得對質量、密度和溫度的靈敏度最大，同時使得換能器對粘度、 VOS、剪切速率、壓力和雷諾數的靈敏度最小。因此，典型的現有技術 流量計能夠精確地測量質量、密度和溫度，但是不能精確地測量附加流動特性，例如粘度、vos、剪切速率、壓力和雷諾數中的一個或多個。在流量計應用中，除了質量、密度和溫度之外還需要測量其他流動特性。發(fā)明內容本發(fā)明有助于解決與確定流量計的流動特性相關聯的問題。 根據本發(fā)明的一個實施例，提供一種科里奧利流量計。該科里奧利 流量計包括一個或多個流管、固定到所述一個或多個流管的至少兩個拾 取傳感器、被配置成使所述一個或多個流管振動的驅動器、以及耦合到 所述至少兩個拾取傳感器和所述驅動器的儀表電子設備。該儀表電子設備被配置成利用第一振動頻率并以第一異相(out-of-phase )彎曲模式 使流量計的所述一個或多個流管振動；測量所述一個或多個流管的第一 振動響應，其中所述第一振動響應是響應于第一振動頻率而生成的；利 用至少第二振動頻率并以第 一異相彎曲模式使所述一個或多個流管振 動；測量第二振動響應，其中所述第二振動響應是響應于第二振動頻率 而生成的；并且使用第 一振動響應和第二振動響應來至少確定質量流速 和粘度。根據本發(fā)明的一個實施例，提供一種用于確定科里奧利流量計中的 流動特性的方法。該方法包括利用第一振動頻率并以第一異相彎曲模 式使流量計的一個或多個流管振動，并且測量所述一個或多個流管的第 一振動響應。所述第一振動響應是響應于第一振動頻率而生成的。該方 法進一步包括利用至少第二振動頻率并以第一異相彎曲模式使所述一 個或多個流管振動，并且測量第二振動響應。所述第二振動響應是響應 于第二振動頻率而生成的。該方法進一步包括使用第一振動響應和第 二振動響應來至少確定流動介質的質量流速和粘度。根據本發(fā)明的 一個實施例，提供一種用于確定科里奧利流量計中的 流動特性的科里奧利流量計軟件產品。該軟件產品包括控制軟件，所述 控制軟件被配置成指導處理系統(tǒng)利用第一振動頻率并以第一異相彎曲 模式使流量計的一個或多個流管振動；測量所述一個或多個流管的第一 振動響應，其中所述第一振動響應是響應于第一振動頻率而生成的；利 用至少第二振動頻率并以第一異相彎曲模式使所述一個或多個流管振動；測量第二振動響應，其中所述第二振動響應是響應于第二振動頻率 而生成的；并且使用第 一振動響應和第二振動響應來至少確定質量流速 和一個或多個流動特性。該軟件產品進一步包括存儲該該控制軟件的存 儲系統(tǒng)。若干方面在一個方面中，所述確定進一步包括確定密度。 在另一個方面中，所述確定進一步包括確定剪切速率。 在又一個方面中，所述確定進一步包括確定雷諾數。在又一個方面中，所述確定進一步包括確定聲速(vos)。 在又一個方面中，所述確定進一步包括確定壓力。在又一個方面中，所述粘度包括運動(kinematic)粘度。 在又一個方面中，所述粘度包括動力(dynamic)粘度。 在又一個方面中，所述振動進一步包括在所述第一振動頻率和所述第二振動頻率之間進行跳躍。在又一個方面中，所述振動進一步包括利用所述第一振動頻率和所述第二振動頻率基本上同時使所述一個或多個流管振動。在又一個方面中，所述振動進一步包括在預定掃描時段上在所述第 一振動頻率和所述第二振動頻率之間進行掃描。在又一個方面中，所述第一振動頻率和所述第二振動頻率在所述一 個或多個流管的基頻之上和之下基本上是等間隔的。在又一個方面中，所述一個或多個流管包括兩個基本上U形的流管。


圖1說明一個包括流量計組件和儀表電子設備的科里奧利流量計。 圖2示出根據本發(fā)明的一個實施例的儀表電子設備。 圖3是根據本發(fā)明的一個實施例的確定科里奧利流量計中的流動特 性的方法的流程圖。
圖4A示出用于阻尼因子s的三個不同值的幅度響應特性，而圖4B 示出對應的相位響應特性。圖5示出用于控制施加給流量計組件的振動頻率的反饋環(huán)。
具體實施方式
圖1-圖5和下面的說明描述了特定例子，以教導本領域技術人員如 何制造和使用本發(fā)明的最佳實施方式。出于教導發(fā)明原理的目的， 一些 常規(guī)方面已被簡化或省略。本領域技術人員將認識到根據這些例子的落 入本發(fā)明的范圍內的各種變化。本領域技術人員將認識到，以下描述的 特征可以以各種方式被組合以形成本發(fā)明的多個變化。因此，本發(fā)明不限于以下描述的特定例子，而是僅由權利要求書及其等同物來限定。圖1示出包括流量計組件10和儀表電子設備20的科里奧利流量計 5。儀表電子設備20經由導線IOO被連接至流量計組件10，以便在通路 26上提供密度、質量流速、體積流速、總質量流速、溫度和其他信息。流量計組件10包括一對法蘭101和101'、歧管102和102'、驅動 器104、拾取傳感器105-105'、以及流管103A和103B。驅動器104和 拾取傳感器105與105'被連接至流管103A和103B。法蘭101和101'被固定到歧管102和102'上。歧管102和102'被固 定到定位件(spacer) 106的相對端。定位件106保持歧管102和102' 之間的間距，以防止流管103A和103B中的不希望有的振動。當流量計 組件10被插入到運送所測量的物質的管線系統(tǒng)(未示出)中時，物質 通過法蘭101進入流量計組件10,經過全部物質被引導進入流管103A 和103B中的入口歧管102，流過流管103A和103B,并且回到全部物 質通過法蘭101'離開流量計組件10的出口歧管102'。對流管103A和103B進行選擇，并將其適當地安裝至入口歧管102 和出口歧管102'，以便具有分別圍繞彎曲軸W-W和W'-W'的基本上相 同的質量分布、慣性矩和彈性模量。以基本上平行的方式，流管從歧管 向外延伸。流管103A-B由驅動器104在圍繞它們各自彎曲軸W和W'的相反 方向上、并且以所謂的流量計的第一異相彎曲模式來驅動。驅動器104 可以包括許多眾所周知結構之一，例如安裝至流管103A的磁體和安裝 至流管103B的相對線圈。交變電流經過所述相對線圏，以便引起兩個
流管振蕩。合適的驅動信號通過儀表電子設備20經由導線100被施加 給驅動器104。儀表電子設備120分別在導線iii和iir上傳送傳感器信號。儀表電子設備120在導線IIO上生成驅動信號，該驅動信號引起驅動器104 來使流管103A和103B振蕩。儀表電子設備120處理來自拾取傳感器 105和105'的左速度信號和右速度信號，以便計算質量流速。通路26提 供允許儀表電子設備120與操作者接口的輸入和輸出裝置。圖1的說明 僅僅作為科里奧利流量計的操作的例子被提供，并且不打算限制本發(fā)明 的教導。圖2示出根據本發(fā)明的一個實施例的儀表電子設備20。該儀表電子 設備20包括通信接口 201 、處理系統(tǒng)202和存儲系統(tǒng)203。處理系統(tǒng)202 被耦合至通信接口 201。通信接口 201實現儀表電子設備20和外部設備之間的通信。通信 接口 201使得所計算的流動特性能夠經由通路26被傳送給外部設備。 所述外部設備可包括流量計組件10 (經由圖1的導線)、 一個或多個監(jiān) 控設備(經由圖1的通路26)、或者任何形式的用戶接口或通信設備。 通信接口 201使得能夠經由導線IOO從流量計組件IO接收流量測量。 通信接口 201能夠實現例如電子、光學或無線通信中的任何方式。接口 26能夠實現經由電話系統(tǒng)和/或數字數據網絡的通信。因此，儀表電子 設備20可以與遠程流量計、遠程處理/監(jiān)控設備、遠程存儲介質和/或遠 程用戶通信。處理系統(tǒng)202指導儀表電子設備20的操作，并且處理來自流量計 組件IO的流量測量。處理系統(tǒng)202執(zhí)行處理程序210并處理流量測量， 以便生成一個或多個流動特性。處理系統(tǒng)202可包括通用計算機、微處 理系統(tǒng)、邏輯電路或某一其他通用或定制處理設備。處理系統(tǒng)202可以 被分布在多個處理設備中。處理系統(tǒng)202可以包括任何方式的集成或獨 立的電子存儲介質，例如存儲系統(tǒng)203?？蛇x擇地，存儲系統(tǒng)203可以 包括與處理系統(tǒng)202通信的獨立的電子存儲介質。存儲系統(tǒng)203可以存儲流量計參數和數據、軟件程序、常量值和變 量值。在一個實施例中，存儲系統(tǒng)203包括由處理系統(tǒng)202所執(zhí)行的處 理程序210。存儲系統(tǒng)203存儲被用來操作流量計組件10的變量。在一 個實施例中，存儲系統(tǒng)203存儲諸如第一振動頻率213、至少第二振動頻率212、第一振動響應213、第二振動響應214和掃描時段215之類 的變量。存儲系統(tǒng)203存儲從流量測量中所獲得的一個或多個流動特性。在 一個實施例中，存儲系統(tǒng)203存儲流動特性，例如質量流速220、密度 221、運動粘度222、動力粘度223、剪切速率224、雷諾數22、聲速 (VOS) 226和阻尼因子(或品質因子)22入應當理解，其他流動特性 也可以一皮確定和記錄，例如溫度和/或壓力。質量流速220是對通過流量計組件10的質量流的測量。密度221 是流量計組件10中的流動物質的密度。流體的粘度可以被定義為流體對剪切或流動的阻力，并且是流體的 粘合/粘結性質的量度。這種阻力是由在第 一 流體層試圖滑過另 一 流體層 時所施加的分子間摩擦力所引起的。為了正確設計并操作用于泵送、測 量或以其他方式處理流體的設備，對流體的粘性的測量是所期望的。運動粘度222可被定義為動力粘度與密度的比值。運動粘度222可 以根據動力粘度223和密度221來計算。動力粘度223可被定義為每單 位面積在由流體保持單位距離間隔時以單位速度相對于另 一平面移動 一個水平面所需的切向力。剪切速率224可以被定義為一層流體在另 一流體層上通過的速度的 變化率。雷諾數225可以被定義為慣性對粘度效應的重要性的量度。在高雷 諾數處，流動可能變?yōu)橥牧?，從而相比于在低雷諾數處的相同液體在性 質上顯示出不同的行為。VOS 206是流動介質中的聲速。例如，VOS 206可以隨流動介質的 變化而變化，可以隨流動介質的密度的變化而變化，或者可以隨流動介 質的組分的變化而變化。阻尼因子227可以被定義為流動介質如何阻尼振動的量度?？蛇x擇 地，阻尼因子227可被定義為流動介質的粘度的量度。為了確定所述一個或多個流動特性，處理系統(tǒng)202執(zhí)行處理程序 210。在由處理系統(tǒng)202執(zhí)行時，處理程序210把處理系統(tǒng)202配置成 利用第一振動頻率211使流量計5的一個或多個流管103振動；測量所 述一個或多個流管103的第一振動響應213，其中第一振動響應213是 響應于第一振動頻率211而生成的；以至少第二振動頻率212使所述一
個或多個流管103振動；測量第二振動響應214,其中第二振動響應214 是響應于第二振動頻率212而生成的；并且使用第一振動響應213和第 二振動響應214來至少確定質量流速220和流動介質的粘度(參見圖 3) 第一振動頻率211和第二振動頻率212可以包括任何期望的頻率。 在一個實施例中，第一振動頻率2U和第二振動頻率212在流量計組件 10的基頻之上和之下基本上是等間隔的。然而，也可以采用其他頻率， 這取決于流動介質和周圍環(huán)境。在一個實施例中，處理程序210可以在第一振動頻率211和第二振 動頻率212之間跳躍。在一個替換實施例中，處理程序210可以利用第 一振動頻率和第二振動頻率基本上同時使所述一個或多個流管103振 動。在又一替換實施例中，處理程序210可以在第一振動頻率211和第 二振動頻率212之間掃描驅動器104的振動，其中實際的驅動頻率根據 掃描時段215在這兩個頻率之間是步進的。圖3是根據本發(fā)明的一個實施例的用于確定科里奧利流量計5中的 流動特性的方法的流程圖300。在步驟301中，由驅動器104利用第一 振動頻率211并以第一異相彎曲模式來使該流管裝置10振動。第一振 動頻率211可以是流量計組件10的基本振動頻率，或者可以是在該基 頻之上或之下的頻率。在步驟302中，測量第一振動響應213。該測量包括從拾取傳感器 105接收信號并且使用拾取信號來確定兩個拾取傳感器105之間的相位 差。響應于由驅動器104所產生的第一振動頻率211,由流量計組件IO 生成第一振動響應213。在步驟303中，由驅動器104利用第二振動頻率212并以第一異相 彎曲模式來使該流管裝置10振動。第二振動頻率212可以為不是第一 振動頻率211的任何頻率。在一個實施例中，第一振動頻率211和第二 振動頻率212在流量計組件10的基頻之上和之下基本上是等間隔的。 然而，如前所述，第一振動頻率211和第二振動頻率212可以包括任何 期望的頻率。在步驟304中，測量第二振動響應214。響應于由驅動器104所產 生的第二振動頻率212,由流量計組件IO生成第二振動響應214。在步驟305中，由儀表電子設備20根據第一振動響應213和第二 振動響應214來確定質量流速和其他流動特性。通過收集兩個或更多個振動響應，儀表電子設備20可以確定許多流動特性。所述流動特性可 以包括流量計組件10中的流動物質的密度221、運動粘度222、動力粘 度223、剪切速率224、雷諾數225、 VOS 2%和阻尼因子227?？评飱W里流量計5的振動結構可被描述位單自由度諧振器，其服從 微分方程dx2/dt2 + 2一卿+ u)2n x(t) = w2n Acos(oot) (1)其中右側表示標準化振蕩外力函數，以及S是阻尼因子。這里，x是瞬 時流管位移，以及項dx/dt和dx"df分別是位移的一階導數和二階導數。 這個系統(tǒng)的頻率響應通過下式給出G(cu) = 1 / (1 — (co/con)2 + j'2s w/con) (2)其中幅度響應是IG(u))卩=1 / ([1 - (o)/u)n)2]2 + (2s co/wn)2) (3) 以及相卩立響應①是cp(u)) = tarr12so3/oan / (1 -( w/u)n)2) (4)圖4A示出用于阻尼因子s的三個不同值的幅度響應特性曲線，而 圖4B示出三個對應的相位響應特性曲線。這三條曲線反映了阻尼因子 S=0.05、 s=0.1和<;=0.2。因此，從圖中可以看出，阻尼因子？可以與在至少兩個頻率ODi和C02上的振動響應的相位和幅度相關并乂人其導出。以品質因子Q的形式來捕獲諧振器的持續(xù)振蕩的純度(purity), 該品質因子Q被定義為Q = (G(OU)(max (5〉其中品質因子Q相當于阻尼因子S。對于輕度阻尼系統(tǒng)(即其中？<<1),品質因子Q可被表示為
Q - 1 / 2s - con / (co2 - (6)其中CD!和(02是半功率點，在該半功率點處，流量計組件10的幅度響應降為Q/V^的值。數量△0) - L02 - U)1 (7)還被稱為該系統(tǒng)的3dB帶寬。注意，最大響應cDo的點通常由下式給出<formula>formula see original document page 13</formula>該式表明最大響應CDo發(fā)生在低于無阻尼的固有頻率CDn的頻率處。 經過科里奧利質量流量計的流動介質的動力粘度V將直接改變結構 的品質因子Q。流動介質的粘性越大，該系統(tǒng)的阻尼就越大。實際上，<formula>formula see original document page 13</formula>其中Kv是除以粘度v的平方根的比例常數。這暗示一種使流量計5能夠 測量系統(tǒng)的阻尼因子 <;(或者相當于其品質因子Q)的方法，該方法將 在適當校準之后產生動力粘度v。存在許多可以用來確定品質因子Q的方法。第一種方法通過測量峰 值幅度IG(co)Ux來測量直接由等式(5)所定義的品質因子Q。為了做到 這一點，可以開環(huán)驅動流量計組件10通過包含,的連續(xù)的驅動頻率。 作為標準化的方法，這在保持驅動功率恒定的同時被完成。這種方法的 難點在于，它需要某一類型的絕對幅度響應校準，這可能是有噪聲的和 不精確的，并且未考慮拾取效率的變化。第二種方法將所述 一 個流管或多個流管驅動到它們的標稱位移幅度，并且在監(jiān)控振蕩的幅度衰減的同時周期性釋放驅動力。幅度減少到 其峰值的0.707所花費的時間將提供對品質因子Q的可替換量度。這種 方法所遇到的難點源于驅動函數的不連續(xù)特性，這將瞬時且周期性地擾動質量流速測量的質量。第三種方法通過連續(xù)在半功率點roi和 2處以及在最大響應coo的點 處驅動流量計組件10來測量流量計組件10的品質因子Q。這是一種有 吸引力的方法，因為品質因子完全依賴于諧振器的機械特性，而不依賴 于驅動器104的效率或者拾取傳感器105的效率。這種方法的難點在 于，當流量計組件IO從一個頻率轉換到另一頻率時(例如從CDi到COo), 流量計組件IO將陷入混亂，并將需要時間以便穩(wěn)定回到其穩(wěn)定狀態(tài)中。 在這一穩(wěn)定周期期間，所有過程信息(粘度、密度和質量流速)可能丟 失，或者測量質量可能嚴重下降。本發(fā)明提供一種至少對質量流速、密度和粘度的基本上連續(xù)且未受 損害的測量。圖5示出用于控制施加給流量計組件10的振動頻率的反饋環(huán)。該 反饋環(huán)可包括科里奧利傳感器500 (即流量計5)、相移器501、數模 (D/A)轉換器502、模數(A/D)轉換器5(B和相位傳感器5(M。在操 作中，相移器501產生數字驅動信號，該數字驅動信號通過D/AS02被 轉換為模擬驅動信號，并且被提供給科里奧利傳感器500。拾取信號輸 出被提供給A/D 503,該A/D 503數字化模擬拾取信號，并且將它提供 給相移器501。相位傳感器504將輸入(驅動)相位與輸出(傳感器) 相位進行比較，并且對相移器501產生相位差信號。因此，相移器501 可以控制被提供給科里奧利傳感器500的驅動信號的相移和頻率。如圖中所示，本發(fā)明控制傳感器的輸入和輸出之間的相位，以便使閉環(huán)諧振在第一振動頻率C0l和第二振動頻率①2之間連續(xù)循環(huán)，同時保持該系統(tǒng)處于閉環(huán)控制下。使用標準鎖相環(huán)技術，可以數字地實施這種相 位控制。在一個實施例中，通過適當編程的數字信號處理器(DSP)可 以執(zhí)行閉環(huán)控制。然而，其他反饋或環(huán)控制技術可以被采用，并且在本 說明書和權利要求書的范圍內。圖5中所示的目標相位設定點是時間的周期函數，例如,=0D + A巾sin (2tt t/T中) (10)在一個實施例中，相位調制指數A小和調制周期T^在幾秒的數量級 上。利用這種緩慢改變的相位變化，如由圖4B中所示的相位曲線所預 測的，系統(tǒng)的閉環(huán)振蕩頻率將連續(xù)跟蹤。因此，對于每個時間周期T小，
通過在整個連續(xù)操作點(OE[COl,①2]中跟蹤相對幅度響應，可以測量所有相 關變量(G)G、1、 C02和質量流速)，而不需要對幅度響應的絕對校準。根據所需的響應時間，可以以各種方式確定密度P。例如在一個實 施例中，通過每當相位通過密度校準相位點Pcal就周期性更新密度輸 出，可以確定密度P。在另一實施例中，通過應用頻率4交正因子來動態(tài) 確定密度P,其中頻率校正因子依賴于實際相位和產物的粘度。通過利用經過流量計組件10的質量流速220以及根據流量計組件10的固有諧振頻率，可以確定剪切速率224。因此，通過改變流速和/ 或通過以不同的振動模式來改變流量計5的諧振頻率，可以改變剪切速 率224。這一能力導致能夠基本上瞬時解析(profile)非牛頓的或液體 的產物。剪切應力與剪切應變的速率線性相關的流體^C稱為牛頓流體。 牛頓物質被稱為真液體，因為它們的粘度或稠度不受剪切的影響，例如 以恒定溫度的攪動或泵送。幸運的是，大多數常見流體(液體和氣體) 是牛頓性的，其中包括水和油。根據由流量計組件10同時測量的三個主測量值，可以確定流動介 質的雷諾數Re 225,即雷諾數Re 225可以根據質量流速220、密度221以及根據動力粘度223來確定?？梢詫⒂煽评飱W利流量計5所產生的振動響應另外用于其他目的。 例如，在一個實施例中，所述兩個或更多個振動響應可被用來確定流量 計組件10的撓曲剛度。該撓曲剛度可以被使用以便基于剛度變化來校 正流量校準因子(FCF)。影響撓曲剛度的因素還影響科里奧利流量計的靈敏度(流量校準因 子)。撓曲剛度是通過利用已知力模式使流管彎曲并測量流管的位移而 導出的靜態(tài)彈性系數。任何作用力模式都可以被用來測量撓曲剛度，只 要它是不變的。例如，夾緊梁的撓曲剛度如下<formula>formula see original document page 15</formula>其中F-力(N);E -楊氏模量(N/m2); I -慣性矩(m4 );L -長度(m);Kflex -流管的撓曲剛度。對于科里奧利流量計，如果撓曲剛度改變，則必須改變校準因子。 科里奧利流量計的撓曲剛度被定義為Kflex = CpCgCs[EI] (12)其中Cp-力模式對撓曲剛度的影響；CG -非撓曲管彎曲幾何結構對撓曲剛度的影響；Cs-非撓曲管應力對撓曲剛度的影響。對于沒有預應力的直管科里奧利流量計，下面的表達式示出校準因 子對EI的依賴性五i"Ar (13)因此，用于直管的流量校準因子(FCF)是:i7丄:(14)其中C是通過振型和拾取位置所確定的常數。還可以通過在給定頻率對管頻率響應函數(FRF)上的點進行估計 來確定流管撓曲剛度。然后，這些點被用來對數據進行單自由度模型擬 合，并且確定在FRF上的DC (例如零交叉)點。使用多頻率估計過程可以驗證流量校準因子。通過使用任何時域或 頻域系統(tǒng)識別方法識別常數m" Cl、 h、 。、 co!和A!來開始多頻率估計。 使用曲線擬合過程對復頻率響應矢量H以矢量W (以弧度/秒為單位) 中的頻率組來擬合有理連續(xù)時間傳遞函數模型。FRF數據點的數量和位 置(頻率)的確影響擬合的質量。使用少至2個頻率響應數據點來實現 良好的擬合。所導出的模型具有以下形式 <formula>formula see original document page 17</formula>驅動器拾取遷移率(mobility)(速度)頻率響應數據被轉換為能 接受的(位移)形式。所測量的遷移率頻率響應數據H必須乘以l/(i )。 所測量的遷移率驅動環(huán)頻率響應H應當為從驅動線圈電流(與力成比 例)到拾取電壓(與速度成比例)。將遷移率數據轉換為可接受數據產生具有以下形式的H(s):<formula>formula see original document page 17</formula> 其中a(l)=l。感興趣的模態(tài)參數從傳遞函數模型中被提取如下<formula>formula see original document page 17</formula>然后，可以使用下面的等式來計算物理參數 <formula>formula see original document page 17</formula>一旦確定物理參數，就確定和校正流量校準因子中的變化以及其他 參數(包括流管的質量和長度的變化)。在另外的性能中，還可以使用所述兩個或更多個振動響應來檢測并 區(qū)分流量計結構變化，例如流管的侵蝕、腐蝕和涂覆。在一個這樣的實施例中，科里奧利流量計5以其諧振頻率進行振動，以便使流量計5能 夠測量質量和密度。質量測量是基于下面的等式<formula>formula see original document page 17</formula>其中附是質量流速； FCF是流量校準因子； At是時間延遲；以及 At0是在零流量處的時間延遲。FCF項與流量計的剛度成比例。剛度是影響流量計性能的主要參 數。如果流量計的剛度改變，則流量計的FCF將改變。流量計性能的改 變可以由例如侵蝕、腐蝕和涂覆引起。為了反映剛度，等式(19)可以被重寫為(20)其中G是與特定傳感器相關的幾何常數； E是楊氏模量；以及 I是慣性矩。當流量計的流管改變時，慣性面積矩I改變。例如，如果管腐蝕減 小了壁厚，則慣性面積矩減少。在一個實施例中，本發(fā)明包括一種用于根據所指示的流速變化來檢 測并區(qū)分流量計結構變化的過程。該過程開始于使用多模式和下面的等 式只十質量流速戰(zhàn)的確定<formula>formula see original document page 18</formula>(21)當由流動噪聲或受迫振動來激勵多模式時，所述模式的振動將與經 過流管的質量流量耦合，從而對每個模式引起科里奧利響應?？评飱W利 響應產生 一個相關的At，該相關的At被用來計算每個模式的質量流量讀數。對每個模式的質量流量讀數進行比較。所得到的質量流速對于每個 模式必須是相同的。如果質量流量讀數是相等的，則該比較生成"正確 操作，，信號，并且該過程重新開始。"正確操作"信號可以是以例如用 戶可見或可聽到的信號的形式。當質量流速之間發(fā)生偏差(其在可接受的極限之外)時，生成出錯 信號。該出錯信號可以引起各種動作發(fā)生。例如，該出錯信號可以引起 該過程被停止，或者可以向操作者發(fā)出可見或可聽到的告警的信號，該 操作者然后采取適當動作。對科里奧利流量計5的密度測量基于下面的等式<formula>formula see original document page 19</formula> (22)T V〗"其中k是組件的剛度； m是組件的質量； f是振蕩頻率；以及 T是振蕩周期。等式(22)是用于單自由度系統(tǒng)的運動方程的解?？评飱W利流量計 在零流量處由等式(22)的展開式來表示，從而生成2tt服 (23)<formula>formula see original document page 19</formula>其中E是楊氏模量；I是橫截面慣性矩； Gp是幾何常數； A是橫截面積； P是密度；f表示流量計中的流體；以及 t表示流管的物質。通過重新排列各項，等式(23)可被重寫為<formula>formula see original document page 19</formula> (24)
其中:<formula>formula see original document page 20</formula>以及<formula>formula see original document page 20</formula>，(25)<formula>formula see original document page 20</formula>(26)幾何常數Gp考慮到幾何參數，例如管的長度和形狀。常數C!和C2 被確定為對兩種不同流體在零流量處標準4交正過程的 一部分。在一個實施例中，本發(fā)明包括一種用于根據所指示的密度的變化來 檢測并區(qū)分流量計結構變化的過程。該過程開始于使用多模式對密度p 的確定。由流動噪聲或受迫振動可以激勵多模式。對每個模式的密度讀數進行比較。所得到的密度讀數對于每個模式 必須是相同的。如果密度讀數是相等的，則該過程生成"正確操作"信 號，并且該過程重新開始。"正確操作，，信號可以是以用戶可見或可聽 到的信號的形式。當密度讀數之間發(fā)生偏差(其在可接受的極限之外)時，生成出錯 信號。該出錯信號可以引起各種動作發(fā)生。例如，該出錯信號可以引起 該過程被停止，或者可以發(fā)出操作者可見或可聽到的告警的信號，該操 作者然后采取適當動作。如果期望的話，根據本發(fā)明的科里奧利流量計和方法可以根據所述 實施例中的任何一個被采用，以便提供幾個優(yōu)點。本發(fā)明提供一種能夠 測量各種流動特性的流量計。本發(fā)明使用至少第 一和第二振動頻率以激 勵流量計組件來測量流動特性。本發(fā)明有利地操作科里奧利流量計以提 供對動力粘度、運動粘度和密度的附加測量，而沒有損害流量計的質量 流量測量性能。本發(fā)明另外可提供剪切速率、雷諾數、VOS和阻尼因子 值。這些各種各樣的流動特性對流動介質的組成和特性有利地給出更詳 細和更明確的信息。在實際上所有的主要工業(yè)中，對于同時測量質量流量、密度和粘度 的產品存在大量的應用。在一個例子中，本發(fā)明可被用于船舶的燃油混 合，其中將煤油與燃油混合到給定的運動粘度規(guī)格。所得到的混合物可 被同時定量供應到船舶上。為了提供這種應用的解決方案，需要質量流 速、密度和粘度的測量。 在另一個例子中，本發(fā)明可被用于潤滑油裝桶。存在許多不同的潤 滑油，并且它們典型地以單流和分批裝桶被制造。在分批裝桶期間，不 同潤滑油產品之間的界面必須被準確地檢測，以便防止污染。使用由本 發(fā)明所提供的粘度測量，通過產品粘度的變化來檢測界面。使用由本發(fā) 明所提供的質量流速測量，質量流量輸出被用來精確地分批裝桶。在另一個例子中，本發(fā)明可被用于接收高果糖玉米糖漿(HFCS) 溶液，例如HFCS-55。在接收HFCS溶液期間，每種溶液將具有特定的 密度(以Bnx為單位)和粘度質量規(guī)格。Brix已被定義為固體在植物汁 中的百分比的量度，或者可替換地被定義為蔗糖(糖)的百分比的量度。 顯然，具有同時測量這些質量參數和質量流速的能力對于客戶具有重要 的好處。
權利要求
1. 一種科里奧利流量計(5)，包括一個或多個流管(103)、固定到 所述一個或多個流管(103)的至少兩個拾取傳感器(105, 105')、以及 被配置成使所述一個或多個流管(103)振動的驅動器(104)，所述科 里奧利流量計(5)的特征在于儀表電子設備(20)，其被耦合到所述至少兩個拾取傳感器(105， 105')和該驅動器(104),該儀表電子設備(20)被配置成利用第一 振動頻率并以第一異相彎曲模式使流量計的所述一個或多個流管 (103)振動；測量所述一個或多個流管(103)的第一振動響應，其中 所述第一振動響應是響應于第一振動頻率而生成的；利用至少第二振動 頻率并以第一異相彎曲模式使所述一個或多個流管(103)振動；測量 第二振動響應，其中所述第二振動響應是響應于第二振動頻率而生成 的；并且使用所述第一振動響應和第二振動響應來至少確定質量流速和 粘度。
2. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5),所述確定進一步包括確 定密度。
3. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5),所述確定進一步包括確 定剪切速率。
4. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5)，所述確定進一步包括確定雷諾數。
5. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5),所述確定進一步包括確 定聲速(VOS)。
6. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5 )，所述確定進一步包括確 定壓力。
7. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5),所述粘度包括運動粘度。
8. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5),所述粘度包括動力粘度。
9. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5),進一步包括在所述第 一振動頻率和所述第二振動頻率之間進行跳躍。
10. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5),進一步包括利用所 述第一振動頻率和所述第二振動頻率使所述一個或多個流管(103)基 本上同時振動。
11. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5),進一步包括在預定 掃描時段上在所述第一振動頻率和所述第二振動頻率之間進行掃描。
12. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5),所述第一振動頻率和 所述第二振動頻率在所述一個或多個流管U03)的基頻之上和之下基 本上是等間隔的。
13. 權利要求1所述的科里奧利流量計(5),所述一個或多個流管 (103)包括兩個基本上U形的流管。
14. 一種用于確定科里奧利流量計中的流動特性的方法，該方法包 括利用第 一 振動頻率并以第 一 異相彎曲模式使流量計的 一 個或多個流 管振動；并且測量所述一個或多個流管的第一振動響應，其中所述第一 振動響應是響應于第一振動頻率而生成的，該方法的特征在于利用至少第二振動頻率并以第一異相彎曲模式使所述一個或多個 流管振動；測量第二振動響應，其中所述第二振動響應是響應于第二振動頻率 而生成的；并且利用第 一振動響應和第二振動響應來至少確定流動介質的質量流速和粘度。
15. 權利要求14所述的方法，所述確定進一步包括確定密度。
16. 權利要求14所述的方法，所述確定進一步包括確定剪切速率。
17. 權利要求14所述的方法，所述確定進一步包括確定雷諾數。
18. 權利要求14所述的方法，所述確定進一步包括確定聲速 (VOS )。
19. 權利要求14所述的方法，所述確定進一步包括確定壓力。
20. 權利要求14所述的方法，所述粘度包括運動粘度。
21. 權利要求14所述的方法，所述粘度包括動力粘度。
22. 權利要求14所述的方法，進一步包括在所述第一振動頻率和 所述第二振動頻率之間進行跳躍。
23. 權利要求14所述的方法，進一步包括利用所述第一振動頻率 和所述第二振動頻率使所述一個或多個流管基本上同時振動。
24. 權利要求14所述的方法，進一步包括在預定掃描時段上在所述第 一 振動頻率和所述第二振動頻率之間進行掃描。
25. 權利要求14所述的方法，所述第一振動頻率和所述第二振動頻 率在所述一個或多個流管的基頻之上和之下基本上是等間隔的。
26. —種用于確定科里奧利流量計中的流動特性的科里奧利流量計 軟件產品，該軟件產品包括控制軟件和存儲系統(tǒng)，所述控制軟件被配置 成指導處理系統(tǒng)利用第一振動頻率并以第一異相彎曲模式使流量計的 一個或多個流管振動；測量所述一個或多個流管的第一振動響應，其中 所述第一振動響應是響應于第一振動頻率而生成的，所述存儲系統(tǒng)存儲 該該控制軟件，所述軟件產品的特征在于所述控制軟件進一步被配置成指導處理系統(tǒng)利用至少第二振動頻 率并以第 一異相彎曲模式使所述一個或多個流管振動；測量第二振動響 應，所述第二振動響應是響應于第二振動頻率而生成的；并且利用第一 振動響應和第二振動響應來至少確定質量流速和一個或多個流動特 性。
27. 權利要求26所述的軟件產品，所述確定進一步包括至少確定流動介質的密度和粘度。
28. 權利要求26所述的軟件產品，所述確定進一步包括確定剪切速率。
29. 權利要求26所述的軟件產品，所述確定進一步包括確定雷諾數。
30. 權利要求26所述的軟件產品，所述確定進一步包括確定聲速(vos )。
31. 權利要求26所述的軟件產品，所述確定進一步包括確定壓力。
32. 權利要求26所述的軟件產品，所述粘度包括運動粘度。
33. 權利要求26所述的軟件產品，所述粘度包括動力粘度。
34. 權利要求26所述的軟件產品，進一步包括在所述第一振動頻 率和所述第二振動頻率之間進行跳躍。
35. 權利要求26所述的軟件產品，進一步包括利用所述第一振動 頻率和所述第二振動頻率使所述一個或多個流管基本上同時振動。
36. 權利要求26所述的軟件產品，進一步包括在預定掃描時段上 在所述第一振動頻率和所述第二振動頻率之間進行掃描。
37. 權利要求26所述的軟件產品，所述第一振動頻率和所述第二振 動頻率在所述一個或多個流管的基頻之上和之下基本上是等間隔的。
全文摘要
根據本發(fā)明的一個實施例，提供一種科里奧利流量計(5)。該流量計(5)包括一個或多個流管(103)、固定到所述一個或多個流管(103)的至少兩個拾取傳感器(105、105′)、被配置成使所述一個或多個流管(103)振動的驅動器(104)、以及被耦合到所述至少兩個拾取傳感器(105、105′)和該驅動器(104)的儀表電子設備(20)。該儀表電子設備(20)利用第一振動頻率并以第一異相彎曲模式使流量計(5)的所述一個或多個流管(103)振動，測量第一振動響應，所述第一振動響應是響應于第一振動頻率而生成的，利用至少第二振動頻率并以第一異相彎曲模式使所述一個或多個流管振動，測量第二振動響應，并且使用第一振動響應和第二振動響應來至少確定質量流速和粘度。
文檔編號G01F1/84GK101147047SQ200580049320
公開日2008年3月19日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權日2005年3月29日
發(fā)明者A·T·帕藤, D·M·亨羅特, G·R·達菲爾 申請人:微動公司