專利名稱：檢測科氏流量計振動管管壁附加物、磨損或腐蝕的方法和裝置的制作方法
檢測科氏流量計振動管管壁附加物、磨損或腐蝕的方法和
裝置
技術領域：
本發(fā)明涉及石油、化工、天然氣等工業(yè)過程流體密度測量、質量測量的科里奧 利質量流量計應用的所有領域，尤其涉及科里奧利質量流量計的工作狀態(tài)在線監(jiān)測、在 線標定和故障診斷。
背景技術：
科里奧利質量流量計被用來測量流過管道的物質的質量流量和其它信息。正 如在授予J.E.Smith等人的1982年2月11日的美國專利Re.31450,授予J.E.Smith等人 的1985年1月1日的美國專利N0.4491025和任思聰等人的2006年11月21日的中國專 利NO.ZL200410073046.2公開的，這種流量計具有一個或多個相同配置的振動管，每個 振動管配置可以被看作具有一組固有振動模式，例如包括簡單彎曲、扭轉、徑向和耦合 模式。在典型的科里奧利質量流量計的應用中，當物質流過該管道時，振動管以一種或 多種振動模式振動。當被測流體靜止或被測流體未充入振動管時，流量計振動管上所有 位置具有相同的振動相位，當流體以一定的速度流過該振動管時，科里奧利加速度導致 沿著該振動管的每個點相對于沿著該振動管的其它點有不同的相位。該振動管入口端處 的相位落后于驅動器，輸出端處的相位超前于驅動器，將拾振器布置于振動管的不同點 處，產生與振動管不同點處振動相位有關的正弦信號，以時間單位計算拾取的正弦信號 的相位差，相位差與流過振動管的質量流量成比例?？评飱W利質量流量計測量的流體不完全是單一組分，具有一定的粘性，甚至有 的被測流體粘度很大，有的被測流體對科里奧利質量流量計振動管存在腐蝕作用，有的 被測流體中存在固相流或懸浮固體顆粒。對有曲率振動管的科里奧利質量流量計，被測 流體中的固相流及少量的被測流體中的雜質更容易在振動管的彎道處與直道處相接部位 的相鄰區(qū)域沉積，形成科里奧利質量流量計振動管上的附加物(附加物包括被測流體中 的雜質、固體顆粒及附加在振動管內壁上使得振動管質量增加的所有物質)，被測流體中 的固相流或固體顆粒對科里奧利質量流量計振動管存在沖蝕磨損和撞擊磨損(通常是非 均勻磨損)。無論是沖蝕磨損、撞擊磨損還是流體對振動管的腐蝕作用，都是對科里奧 利質量流量計振動管的磨損作用。附加物使得振動管局部出現集中質量，磨損作用使得 振動管的局部管壁變薄。它們對科里奧利質量流量計的零點漂移、流量斜率存在一定影 響，影響科里奧利質量流量計對流體的密度、質量、粘度等參數的測量精度。為保證質 量流量儀表的準確計量，科里奧利質量流量計在出廠前和維護后必須定期的對其進行測 試、校驗及標定，使用中也必須定期對其進行離線的校準，《中華人民共和國國家計量 檢定規(guī)程》中規(guī)定科里奧利質量流量計的檢定周期一般不超過2年。這種校準方法具有 許多問題。一個問題是，校準周期較短，離線校準耗費較多的人力資源，物理資源和財 力。另一個極其重要的問題就是，在校準周期以內，不能實時地監(jiān)測科里奧利質量流量 計的異常工作狀態(tài)(包括附加物、磨損或腐蝕)，隨著附加物質量和磨損程度不斷增加，
3科里奧利質量流量計的測量精度不斷降低，產生嚴重測量誤差。在授予B.L.卡本特和A.X.路納等人的1997年11月26日美國專利N0.95195442.3 專利中，公開了用于科里奧利質量流量計中故障檢測和校正的方法和裝置。該專利中提 到的方法和裝置的理論基礎是振動管振動所需要的驅動功率和振動管的諧振頻率是科 里奧利質量流量計振動管工作狀態(tài)出現異常的標志，在其公開的內容中也重點強調了利 用驅動功率和振動管的諧振頻率可以確定所有異常工作狀態(tài)，在其實施例中主要用于檢 測振動管裂縫故障。其規(guī)律是隨著裂縫存在的時間的延長，諧振頻率按非線性遞減， 遞減速率不斷增加；驅動功率按非線性遞增，遞增速率也不斷增加。這種方法的不足在 于，所說的諧振頻率是振動管的一階諧振頻率，當振動管處于多種異常工作狀態(tài)(包括 附加物質量的增加，管道內壁的磨損與腐蝕等)時，各種異常狀態(tài)造成的驅動功率和振 動管的一階諧振頻率的變化特征相同時，難以區(qū)分究竟是哪種異常工作狀態(tài)影響了對流 體測量的精度。例如當科里奧利質量流量計振動管管壁有附加物時，驅動功率隨附加 物質量的增加按非線性遞增，遞增速率不斷增加；當科里奧利質量流量計振動管被磨損 時，一階諧振頻率隨磨損程度增加按非線性遞減，遞減速率不斷增加。所以，當科里奧 利質量流量計振動管存在多種異常工作狀態(tài)，比如說裂縫、附加物和磨損等異常工作狀 態(tài)同時存在時，利用驅動功率和一階諧振頻率的變化趨勢判斷出科里奧利質量流量計振 動管處于有裂縫異常工作狀態(tài)、振動管有附加物異常工作狀態(tài)或者振動管被磨損的異常 工作狀態(tài)是不準確的?；蛘呔透緹o法確認科里奧利質量流量計振動管處于哪種異常工 作狀態(tài)。

發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種確認科里奧利質量流量計振動管管壁有附加物、振動 管管壁被磨損或腐蝕的方法，該方法能準確、簡單地通過解算科里奧利質量流量計振動 管的三階諧振頻率對振動管有附加物和振動管被磨損異常工作狀態(tài)進行在線監(jiān)測，實時 判斷。本發(fā)明還提供了 一種實現上述方法的裝置。本發(fā)明一方面包括用于確認科里奧利質量流量計振動管管壁有附加物、振動管 管壁被磨損或腐蝕的方法，包括以下步驟預定振動管的三階諧振頻率的閾值低值和高值；周期性地測量振動管的三階諧振頻率；將測得的三階諧振頻率與閾值進行比較，同時分析所測得的三階諧振頻率的變 化規(guī)率。當測得的三階諧振頻率小于閾值的低值，同時所測得的三階諧振頻率單調下降 時，確認科里奧利質量流量計振動管管壁有附加物。當測得的三階諧振頻率大于閾值的低值且小于閾值的高值，同時所測得的三階 諧振頻率先單調增加，然后單調下降時，確認科里奧利質量流量計振動管管壁被磨損。當測得的三階諧振頻率先大于閾值的低值，但小于閾值的高值，然后小于閾值 的低值，確認科里奧利質量流量計振動管管壁既有附加物，又被磨損。本發(fā)明另一方面包括一種實現上述方法的裝置，該裝置中設有統(tǒng)計分析三階諧振頻率及其變化的解算裝置。所述的解算裝置優(yōu)選是由信號采集元件、信號調理元件、信號處理元件和數據 存儲裝置組成，其中數據存儲裝置用于存儲各次測量數據，因此新的監(jiān)測數據與存儲的 歷史數據可以進行比較，判斷新的數據相對歷史數據的變化趨勢。為進一步提高準確度，本發(fā)明還有一方面是提供一種用于確認科里奧利質量流 量計振動管管壁有附加物、振動管管壁被磨損或腐蝕的方法，包括以下步驟預定振動管的三階諧振頻率的閾值低值和高值；周期性地使振動管中的流體停止流動，測量振動管的三階諧振頻率；將測得的三階諧振頻率與閾值進行比較，同時分析所測得的三階諧振頻率的變 化規(guī)率。當測得的三階諧振頻率小于閾值的低值，同時所測得的三階諧振頻率單調下降 時，確認科里奧利質量流量計振動管管壁有附加物。當測得的三階諧振頻率大于閾值的低值且小于閾值的高值，同時所測得的三階 諧振頻率先單調增加，然后單調下降時，確認科里奧利質量流量計振動管管壁被磨損。當測得的三階諧振頻率先大于閾值的低值，但小于閾值的高值，然后小于閾值 的低值，確認科里奧利質量流量計振動管管壁既有附加物，又被磨損。本發(fā)明還有一方面包括一種實現上述方法的裝置，其特征在于包括控制振動 管中流體流動或停止的零點判定輔助裝置、控制零點判定輔助裝置的控制裝置、統(tǒng)計分 析三階諧振頻率及其變化的解算裝置。其中所述的零點判定輔助裝置優(yōu)選是截止閥。所述的解算裝置優(yōu)選是由信號采集元件、信號調理元件、信號處理元件和數據 存儲裝置組成，其中數據存儲裝置用于存儲各次測量數據，因此新的監(jiān)測數據與存儲的 歷史數據可以進行比較，判斷新的數據相對歷史數據的變化趨勢。本發(fā)明的上述方法能夠更準確地在線監(jiān)測，實時判斷科里奧利質量流量計振動 管處于其它異常工作狀態(tài)的方法，尤其是科里奧利質量流量計振動管有附加物的異常工 作狀態(tài)的判斷和振動管被磨損的異常工作狀態(tài)的判斷，為補償測量誤差、保證科里奧利 質量流量計對流體參數測量值的準確度更高和延長科里奧利質量流量計的校準周期奠定 ■石出。

圖1是本發(fā)明的實施例中以酒精為被測流體，科里奧利質量流量計振動管有附 加物時統(tǒng)計到的振動管的三階諧振頻率隨附加物質量增加的變化量理論值分布曲線與實 驗數據分布曲線；圖2是本發(fā)明的實施例中以水、酒精和煤油為被測流體，科里奧利質量流量計 振動管被磨損時振動管的三階諧振頻率隨磨損程度增加的理論值變化量柱狀圖；圖3是本發(fā)明的實施例中以水、酒精和煤油為被測流體，科里奧利質量流量計 振動管被磨損時統(tǒng)計到的振動管的三階諧振頻率隨磨損程度增加的變化量實驗數據柱狀 圖；圖4是實施例中的ZLJC7型科里奧利質量流量計結構示意5
圖中1—振動管，2——振動管，3——溫度傳感器，4、9、12——連接 法蘭，5——分流體，6、7——相位差檢測裝置，8、13——定距板，10——接線端， 11——傳感器本體，14——外殼，15——激振裝置磁鐵，16——激振裝置線圈，17—— 科里奧利質量流量計，18——截止閥。
具體實施方式流量計振動管的三階諧振頻率是振動管的固有屬性，與振動管的結構密切相 關。在理想工況下流體的運動狀態(tài)不會影響三階諧振頻率的大小，三階諧振頻率被周期 性地測量與分析，就實現了對流量計振動管異常工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。由于振動管的三 階振型與科里奧利加速度導致的振動管的振型相似，另外流量計的工作環(huán)境往往是多種 影響因素的耦合，為提高解算準確度，本實施例中采用了在流體靜止狀態(tài)下解算振動管 三階諧振頻率?？评飱W利質量流量計的應用領域中，難以避免其振動管存在固相物的沉積，使 得流量計振動管有附加物，被測流體中的固相物對流量計振動管的磨損作用或被測流體 對流量計振動管的腐蝕作用，使得流量計振動管被非均勻變薄。借助振動力學的假設模態(tài)分析方法計算科里奧利質量流量計振動管的諧振頻 率。利用假設模態(tài)方法將本實施例的ZLJC7型科里奧利質量流量計振動管進行離散化， 得到離散化后梁的動能和勢能，根據虛位移虛功及拉格朗日方程理論推導出梁的自由振
動微分方程M〗·+均=0。假設方程的解為^ = Min(餌+ p)，a為待定常數列陣。將q帶入
微分方程得，[K-MAja = 0, λ =ρ2,由此得到N個特征值和相應的特征向量a1;就
是原連續(xù)的N個固有頻率的近似值。當振動管的內壁出現附加物時，在計算梁的動能和勢能時計入附加 物質量的動能和勢能，依次寫入系統(tǒng)相應的矩陣M、K。ky保持不變，而
Mlj = I ρφ,φ^χ + (χ)約(χ) (m為附加物質量)，取i = j = 3，解得ZLJC7型科里奧利質
量流量計振動管在不同附加物質量下的三階頻率(本發(fā)明的實施例的理論值變化量如圖1 中所示)。先求出原連續(xù)的N個固有頻率的近似值，在振動管被磨損后，在計算梁的動能 和勢能時計入被磨損掉的材質質量的動能和勢能，依次寫入系統(tǒng)相應的矩陣M、K，同時
對單位長度質量P進行調整。ky保持不變，而my = ^ρ'φ^ χ-ηι'φΧΑφΑχ) (m1為振
動管被磨損掉的質量)，取i = j = 3，解得ZLJC7型科里奧利質量流量計振動管在不同 磨損程度下的三階頻率(本發(fā)明的實施例的理論值變化量如圖2中所示)。本實施例是以水、酒精和煤油為被測流體。具體的實現過程為系統(tǒng)在運行 前，設定被測流體為水、酒精和煤油時科里奧利質量流量計振動管三階諧振頻率閾值(低 / 高)，分別為 155.65Hz/157.135Hz、159.325Hz/161.030Hz 和 159.820Hz/161.220Hz。系 統(tǒng)開啟后，控制裝置控制零點判定輔助裝置周期性地開關，使振動管中流體周期性地停 止流動，然后解算裝置對相位差檢測裝置的拾振器的輸出信號a、b，驅動線圈的輸出信號C三路信號按一定的周期間隔(包括任何一個長短的周期，本實施例中取為一周)進行 信號采集、信號調理、信號解算和數據存儲，得到科里奧利質量流量計振動管的三階諧 振頻率信息(如圖3所示)，最后統(tǒng)計分析三階諧振頻率及其變化。
當測得的三階諧振頻率小于閾值的低值，同時所測得的三階諧振頻率單調下降 時，則肯定ZLJC7型科里奧利質量流量計振動管處于有附加物異常工作狀態(tài)；如果測 得的三階諧振頻率大于閾值的低值且小于閾值的高值，同時所測得的三階諧振頻率先單 調增加，然后單調下降時，則肯定ZLJC7型科里奧利質量流量計振動管被磨損，處于振 動管被磨損異常工作狀態(tài)；如果測得的三階諧振頻率先大于閾值的低值，然后小于閾值 的低值，則肯定振動管有附加物異常工作狀態(tài)和振動管被磨損異常工作狀態(tài)同時存在。 本實施例中檢測到的振動管有附加物時的三階諧振頻率變化量的實驗數據與其理論值相 比，最大誤差低于2%;以水、酒精、煤油為被測流體的磨損實施例中，檢測到的三階諧 振頻率實驗值與理論值相比，最大誤差低于3%。所以利用三階諧振頻率的變化檢測科里 奧利質量流量計振動管的附加物異常工作狀態(tài)與振動管被磨損異常工作狀態(tài)是可行的。
權利要求
1.檢測科氏流量計振動管管壁附加物、磨損或腐蝕的方法和裝置，其特征在于包括 以下步驟預定振動管的三階諧振頻率的閾值低值和高值； 周期性地測量振動管的三階諧振頻率；將測得的三階諧振頻率與閾值進行比較，同時分析所測得的三階諧振頻率的變化規(guī)率。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于包括以下步驟 預定振動管的三階諧振頻率的閾值低值和高值；周期性地使振動管中的流體停止流動，測量振動管的三階諧振頻率；將測得的三階諧振頻率與閾值進行比較，同時分析所測得的三階諧振頻率的變化規(guī)率。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于當測得的三階諧振頻率小于閾值的低值，同時所測得的三階諧振頻率單調下降時， 確認科里奧利質量流量計振動管管壁有附加物。
4.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于當測得的三階諧振頻率大于閾值的低值且小于閾值的高值，同時所測得的三階諧振 頻率先單調增加，然后單調下降時，確認科里奧利質量流量計振動管管壁被磨損。
5.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于當測得的三階諧振頻率先大于閾值的低值，但小于閾值的高值，然后小于閾值的低 值，確認科里奧利質量流量計振動管管壁既有附加物，又被磨損。
6.一種實現如權利要求1所述方法的裝置，其特征在于包括統(tǒng)計分析三階諧振頻率及 其變化的解算裝置。
7.—種實現如權利要求2所述方法的裝置，其特征在于包括以下結構控制零點判 定輔助裝置的控制裝置、統(tǒng)計分析三階諧振頻率及其變化的解算裝置。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于所述的裝置中還設有控制振動管中流體流動 或停止的零點判定輔助裝置。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于所述的零點判定輔助裝置是截止閥。
10.如權利要求6或7所述的裝置，其特征在于所述的解算裝置由信號采集元件、信 號調理元件、信號處理元件和數據存儲裝置組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及流體密度測量、質量測量的科里奧利質量流量計應用的所有領域。本發(fā)明檢測科氏流量計振動管管壁附加物、磨損或腐蝕的方法，包括以下步驟預定振動管的三階諧振頻率的閾值低值和高值；周期性地測量振動管的三階諧振頻率；將測得的三階諧振頻率與閾值進行比較，同時分析所測得的三階諧振頻率的變化規(guī)率。一種實現本發(fā)明所述方法的裝置，包括以下結構控制振動管中流體流動或停止的零點判定輔助裝置、控制零點判定輔助裝置的控制裝置、統(tǒng)計分析三階諧振頻率及其變化的解算裝置。本發(fā)明的方法能夠更準確地判斷科里奧利質量流量計振動管有附加物和被磨損或腐蝕的異常工作狀態(tài)。
文檔編號G01F25/00GK102012251SQ201010299459
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權日2010年9月29日
發(fā)明者任建新, 劉景峰, 張忠洋, 張鵬, 熊亮 申請人:西安東風機電有限公司