CN100491933C - 用于确定流动特性的科里奥利流量计和方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个实施例，提供一种科里奥利流量计(5)。该流量计(5)包括一个或多个流管(103)、固定到所述一个或多个流管(103)的至少两个拾取传感器(105、105′)、被配置成使所述一个或多个流管(103)振动的驱动器(104)、以及被耦合到所述至少两个拾取传感器(105、105′)和该驱动器(104)的仪表电子设备(20)。该仪表电子设备(20)利用第一振动频率并以第一异相弯曲模式使流量计(5)的所述一个或多个流管(103)振动，测量第一振动响应，所述第一振动响应是响应于第一振动频率而生成的，利用至少第二振动频率并以第一异相弯曲模式使所述一个或多个流管振动，测量第二振动响应，并且使用第一振动响应和第二振动响应来至少确定质量流速和粘度。

Description

用于确定流动特性的科里奥利流量计和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定流动特性的科里奥利流量计和方法，更特别地涉及一种使用两个或更多个振动响应来确定流动特性的科里奥利流量计和方法。

背景技术

振动管道传感器，例如科里奥利质量流量计，典型地通过检测包含流动物质的振动管道的运动来操作。与管道中的物质相关联的特性，例如质量流量、密度等等，可以通过处理从与管道相关联的运动换能器接收的测量信号而被确定。振动物质填充系统的振动模式一般受到所述包含管道以及在其中所包含的物质的组合的质量、刚度和阻尼特性的影响。

一个典型的科里奥利质量流量计包括一个或多个管道，这些管道被串联连接在管线或其他运输系统中，并且在该系统中运送诸如液体、泥浆等等之类的物质。每个管道可以被看作具有一组固有振动模式，所述固有振动模式例如包括单纯弯曲、扭转、径向和耦合模式。在一个典型的科里奥利质量流量测量应用中，当物质流过管道时，以一种或多种振动模式对管道进行激励，并且在沿该管道隔开的各个点处测量该管道的运动。激励通常由致动器例如机电设备来提供，比如音圈型驱动器，其以周期性方式扰动该管道。通过测量在多个换能器位置处的运动之间的时间延迟或相位差，可以确定质量流速。通常采用两个这样的换能器(或者拾取传感器)，以便测量所述一个流动管道或者多个管道的振动响应，并且所述两个这样的换能器通常位于致动器的上游和下游位置。这两个拾取传感器通过电缆线路例如两对独立的导线被连接到电子仪器。该仪器从这两个拾取传感器接收信号，并且处理该信号以便导出质量流速测量值。

传统的科里奥利质量流量计提供对流过流量计的流动介质的质量流速、密度和温度的连续测量。然而，流动介质的任何流动特性的变化都可引起在流量计上加载的质量的增加或减少，因此尤其在所指示的密度中将引起误差。

振动元件换能器例如科里奥利质量流量计或密度计的设计者通常试图使得对质量、密度和温度的灵敏度最大，同时使得换能器对粘度、VOS、剪切速率、压力和雷诺数的灵敏度最小。因此，典型的现有技术流量计能够精确地测量质量、密度和温度，但是不能精确地测量附加流动特性，例如粘度、VOS、剪切速率、压力和雷诺数中的一个或多个。在流量计应用中，除了质量、密度和温度之外还需要测量其他流动特性。

发明内容

本发明有助于解决与确定流量计的流动特性相关联的问题。

根据本发明的一个实施例，提供一种科里奥利流量计。该科里奥利流量计包括一个或多个流管、固定到所述一个或多个流管的至少两个拾取传感器、被配置成使所述一个或多个流管振动的驱动器、以及耦合到所述至少两个拾取传感器和所述驱动器的仪表电子设备。该仪表电子设备被配置成：利用第一振动频率并以第一异相(out-of-phase)弯曲模式使流量计的所述一个或多个流管振动；测量所述一个或多个流管的第一振动响应，其中所述第一振动响应是响应于第一振动频率而生成的；利用至少第二振动频率并以第一异相弯曲模式使所述一个或多个流管振动；测量第二振动响应，其中所述第二振动响应是响应于第二振动频率而生成的；并且使用第一振动响应和第二振动响应来至少确定质量流速和粘度。

根据本发明的一个实施例，提供一种用于确定科里奥利流量计中的流动特性的方法。该方法包括：利用第一振动频率并以第一异相弯曲模式使流量计的一个或多个流管振动，并且测量所述一个或多个流管的第一振动响应。所述第一振动响应是响应于第一振动频率而生成的。该方法进一步包括：利用至少第二振动频率并以第一异相弯曲模式使所述一个或多个流管振动，并且测量第二振动响应。所述第二振动响应是响应于第二振动频率而生成的。该方法进一步包括：使用第一振动响应和第二振动响应来至少确定流动介质的质量流速和粘度。

根据本发明的一个实施例，提供一种用于确定科里奥利流量计中的流动特性的科里奥利流量计软件产品。该软件产品包括控制软件，所述控制软件被配置成指导处理系统：利用第一振动频率并以第一异相弯曲模式使流量计的一个或多个流管振动；测量所述一个或多个流管的第一振动响应，其中所述第一振动响应是响应于第一振动频率而生成的；利用至少第二振动频率并以第一异相弯曲模式使所述一个或多个流管振动；测量第二振动响应，其中所述第二振动响应是响应于第二振动频率而生成的；并且使用第一振动响应和第二振动响应来至少确定质量流速和一个或多个流动特性。该软件产品进一步包括存储该该控制软件的存储系统。

若干方面

在一个方面中，所述确定进一步包括确定密度。

在另一个方面中，所述确定选一步包括确定剪切速率。

在又一个方面中，所述确定进一步包括确定雷诺数。

在又一个方面中，所述确定进一步包括确定声速(VOS)。

在又一个方面中，所述确定进一步包括确定压力。

在又一个方面中，所述粘度包括运动(kinematic)粘度。

在又一个方面中，所述粘度包括动力(dynamic)粘度。

在又一个方面中，所述振动进一步包括在所述第一振动频率和所述第二振动频率之间进行跳跃。

在又一个方面中，所述振动进一步包括利用所述第一振动频率和所述第二振动频率基本上同时使所述一个或多个流管振动。

在又一个方面中，所述振动进一步包括在预定扫描时段上在所述第一振动频率和所述第二振动频率之间进行扫描。

在又一个方面中，所述第一振动频率和所述第二振动频率在所述一个或多个流管的基频之上和之下基本上是等间隔的。

在又一个方面中，所述一个或多个流管包括两个基本上U形的流管。

附图说明

图1说明一个包括流量计组件和仪表电子设备的科里奥利流量计。

图2示出根据本发明的一个实施例的仪表电子设备。

图3是根据本发明的一个实施例的确定科里奥利流量计中的流动特性的方法的流程图。

图4A示出用于阻尼因子

的三个不同值的幅度响应特性，而图4B示出对应的相位响应特性。

图5示出用于控制施加给流量计组件的振动频率的反馈环。

具体实施方式

图1-图5和下面的说明描述了特定例子，以教导本领域技术人员如何制造和使用本发明的最佳实施方式。出于教导发明原理的目的，一些常规方面已被简化或省略。本领域技术人员将认识到根据这些例子的落入本发明的范围内的各种变化。本领域技术人员将认识到，以下描述的特征可以以各种方式被组合以形成本发明的多个变化。因此，本发明不限于以下描述的特定例子，而是仅由权利要求书及其等同物来限定。

图1示出包括流量计组件10和仪表电子设备20的科里奥利流量计5。仪表电子设备20经由导线100被连接至流量计组件10，以便在通路26上提供密度、质量流速、体积流速、总质量流速、温度和其他信息。

流量计组件10包括一对法兰101和101′、歧管102和102′、驱动器104、拾取传感器105-105′、以及流管103A和103B。驱动器104和拾取传感器105与105′被连接至流管103A和103B。

法兰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的相对端。定位件106保持歧管102和102′之间的间距，以防止流管103A和103B中的不希望有的振动。当流量计组件10被插入到运送所测量的物质的管线系统(未示出)中时，物质通过法兰101进入流量计组件10，经过全部物质被引导进入流管103A和103B中的入口歧管102，流过流管103A和103B，并且回到全部物质通过法兰101′离开流量计组件10的出口歧管102′。

对流管103A和103B进行选择，并将其适当地安装至入口歧管102和出口歧管102′，以便具有分别围绕弯曲轴W-W和W′-W′的基本上相同的质量分布、惯性矩和弹性模量。以基本上平行的方式，流管从歧管向外延伸。

流管103A-B由驱动器104在围绕它们各自弯曲轴W和W′的相反方向上、并且以所谓的流量计的第一异相弯曲模式来驱动。驱动器104可以包括许多众所周知结构之一，例如安装至流管103A的磁体和安装至流管103B的相对线圈。交变电流经过所述相对线圈，以便引起两个流管振荡。合适的驱动信号通过仪表电子设备20经由导线100被施加给驱动器104。

仪表电子设备120分别在导线111和111′上传送传感器信号。仪表电子设备120在导线110上生成驱动信号，该驱动信号引起驱动器104来使流管103A和103B振荡。仪表电子设备120处理来自拾取传感器105和105′的左速度信号和右速度信号，以便计算质量流速。通路26提供允许仪表电子设备120与操作者接口的输入和输出装置。图1的说明仅仅作为科里奥利流量计的操作的例子被提供，并且不打算限制本发明的教导。

图2示出根据本发明的一个实施例的仪表电子设备20。该仪表电子设备20包括通信接口201、处理系统202和存储系统203。处理系统202被耦合至通信接口201。

通信接口201实现仪表电子设备20和外部设备之间的通信。通信接口201使得所计算的流动特性能够经由通路26被传送给外部设备。所述外部设备可包括流量计组件10(经由图1的导线)、一个或多个监控设备(经由图1的通路26)、或者任何形式的用户接口或通信设备。通信接口201使得能够经由导线100从流量计组件10接收流量测量。通信接口201能够实现例如电子、光学或无线通信中的任何方式。接口26能够实现经由电话系统和/或数字数据网络的通信。因此，仪表电子设备20可以与远程流量计、远程处理/监控设备、远程存储介质和/或远程用户通信。

处理系统202指导仪表电子设备20的操作，并且处理来自流量计组件10的流量测量。处理系统202执行处理程序210并处理流量测量，以便生成一个或多个流动特性。处理系统202可包括通用计算机、微处理系统、逻辑电路或某一其他通用或定制处理设备。处理系统202可以被分布在多个处理设备中。处理系统202可以包括任何方式的集成或独立的电子存储介质，例如存储系统203。可选择地，存储系统203可以包括与处理系统202通信的独立的电子存储介质。

存储系统203可以存储流量计参数和数据、软件程序、常量值和变量值。在一个实施例中，存储系统203包括由处理系统202所执行的处理程序210。存储系统203存储被用来操作流量计组件10的变量。在一个实施例中，存储系统203存储诸如第一振动频率213、至少第二振动频率212、第一振动响应213、第二振动响应214和扫描时段215之类的变量。

存储系统203存储从流量测量中所获得的一个或多个流动特性。在一个实施例中，存储系统203存储流动特性，例如质量流速220、密度221、运动粘度222、动力粘度223、剪切速率224、雷诺数225、声速(VOS)226和阻尼因子(或品质因子)227。应当理解，其他流动特性也可以被确定和记录，例如温度和/或压力。

质量流速220是对通过流量计组件10的质量流的测量。密度221是流量计组件10中的流动物质的密度。

流体的粘度可以被定义为流体对剪切或流动的阻力，并且是流体的粘合/粘结性质的量度。这种阻力是由在第一流体层试图滑过另一流体层时所施加的分子间摩擦力所引起的。为了正确设计并操作用于泵送、测量或以其他方式处理流体的设备，对流体的粘性的测量是所期望的。

运动粘度222可被定义为动力粘度与密度的比值。运动粘度222可以根据动力粘度223和密度221来计算。动力粘度223可被定义为每单位面积在由流体保持单位距离间隔时以单位速度相对于另一平面移动一个水平面所需的切向力。

剪切速率224可以被定义为一层流体在另一流体层上通过的速度的变化率。

雷诺数225可以被定义为惯性对粘度效应的重要性的量度。在高雷诺数处，流动可能变为湍流，从而相比于在低雷诺数处的相同液体在性质上显示出不同的行为。

VOS206是流动介质中的声速。例如，VOS206可以随流动介质的变化而变化，可以随流动介质的密度的变化而变化，或者可以随流动介质的组分的变化而变化。

阻尼因子227可以被定义为流动介质如何阻尼振动的量度。可选择地，阻尼因子227可被定义为流动介质的粘度的量度。

为了确定所述一个或多个流动特性，处理系统202执行处理程序210。在由处理系统202执行时，处理程序210把处理系统202配置成：利用第一振动频率211使流量计5的一个或多个流管103振动；测量所述一个或多个流管103的第一振动响应213，其中第一振动响应213是响应于第一振动频率211而生成的；以至少第二振动频率212使所述一个或多个流管103振动；测量第二振动响应214，其中第二振动响应214是响应于第二振动频率212而生成的；并且使用第一振动响应213和第二振动响应214来至少确定质量流速220和流动介质的粘度(参见图3)。

第一振动频率211和第二振动频率212可以包括任何期望的频率。在一个实施例中，第一振动频率211和第二振动频率212在流量计组件10的基频之上和之下基本上是等间隔的。然而，也可以采用其他频率，这取决于流动介质和周围环境。

在一个实施例中，处理程序210可以在第一振动频率211和第二振动频率212之间跳跃。在一个替换实施例中，处理程序210可以利用第一振动频率和第二振动频率基本上同时使所述一个或多个流管103振动。在又一替换实施例中，处理程序210可以在第一振动频率211和第二振动频率212之间扫描驱动器104的振动，其中实际的驱动频率根据扫描时段215在这两个频率之间是步进的。

图3是根据本发明的一个实施例的用于确定科里奥利流量计5中的流动特性的方法的流程图300。在步骤301中，由驱动器104利用第一振动频率211并以第一异相弯曲模式来使该流管装置10振动。第一振动频率211可以是流量计组件10的基本振动频率，或者可以是在该基频之上或之下的频率。

在步骤302中，测量第一振动响应213。该测量包括从拾取传感器105接收信号并且使用拾取信号来确定两个拾取传感器105之间的相位差。响应于由驱动器104所产生的第一振动频率211，由流量计组件10生成第一振动响应213。

在步骤303中，由驱动器104利用第二振动频率212并以第一异相弯曲模式来使该流管装置10振动。第二振动频率212可以为不是第一振动频率211的任何频率。在一个实施例中，第一振动频率211和第二振动频率212在流量计组件10的基频之上和之下基本上是等间隔的。然而，如前所述，第一振动频率211和第二振动频率212可以包括任何期望的频率。

在步骤304中，测量第二振动响应214。响应于由驱动器104所产生的第二振动频率212，由流量计组件10生成第二振动响应214。

在步骤305中，由仪表电子设备20根据第一振动响应213和第二振动响应214来确定质量流速和其他流动特性。通过收集两个或更多个振动响应，仪表电子设备20可以确定许多流动特性。所述流动特性可以包括流量计组件10中的流动物质的密度221、运动粘度222、动力粘度223、剪切速率224、雷诺数225、VOS 226和阻尼因子227。

科里奥里流量计5的振动结构可被描述位单自由度谐振器，其服从微分方程：

其中右侧表示标准化振荡外力函数，以及是阻尼因子。这里，x是瞬时流管位移，以及项dx/dt和dx²/dt²分别是位移的一阶导数和二阶导数。

这个系统的频率响应通过下式给出：

其中幅度响应是：

以及相位响应Φ是：

图4A示出用于阻尼因子

的三个不同值的幅度响应特性曲线，而图4B示出三个对应的相位响应特性曲线。这三条曲线反映了阻尼因子

因此，从图中可以看出，阻尼因子

可以与在至少两个频率ω₁和ω₂上的振动响应的相位和幅度相关并从其导出。

以品质因子Q的形式来捕获谐振器的持续振荡的纯度(purity)，该品质因子Q被定义为：

Q＝|G(ω)|_max                            (5)

其中品质因子Q相当于阻尼因子

。

对于轻度阻尼系统(即其中

)，品质因子Q可被表示为：

其中ω₁和ω₂是半功率点，在该半功率点处，流量计组件10的幅度响应降为

的值。数量：

Δω＝ω₂-ω₁                                  (7)

还被称为该系统的3dB带宽。注意，最大响应ω₀的点通常由下式给出：

该式表明最大响应ω₀发生在低于无阻尼的固有频率ω_n的频率处。

经过科里奥利质量流量计的流动介质的动力粘度v将直接改变结构的品质因子Q。流动介质的粘性越大，该系统的阻尼就越大。实际上，流动介质的动力粘度v和品质因子Q通过下式相关：

Q＝K_v/√(v)                                    (9)

其中K_v是除以粘度v的平方根的比例常数。这暗示一种使流量计5能够测量系统的阻尼因子(或者相当于其品质因子Q)的方法，该方法将在适当校准之后产生动力粘度v。

存在许多可以用来确定品质因子Q的方法。第一种方法通过测量峰值幅度|G(ω)|_max来测量直接由等式(5)所定义的品质因子Q。为了做到这一点，可以开环驱动流量计组件10通过包含ω₀的连续的驱动频率。作为标准化的方法，这在保持驱动功率恒定的同时被完成。这种方法的难点在于，它需要某一类型的绝对幅度响应校准，这可能是有噪声的和不精确的，并且未考虑拾取效率的变化。

第二种方法将所述一个流管或多个流管驱动到它们的标称位移幅度，并且在监控振荡的幅度衰减的同时周期性释放驱动力。幅度减少到其峰值的0.707所花费的时间将提供对品质因子Q的可替换量度。这种方法所遇到的难点源于驱动函数的不连续特性，这将瞬时且周期性地扰动质量流速测量的质量。

第三种方法通过连续在半功率点ω₁和ω₂处以及在最大响应ω₀的点处驱动流量计组件10来测量流量计组件10的品质因子Q。这是一种有吸引力的方法，因为品质因子完全依赖于谐振器的机械特性，而不依赖于驱动器104的效率或者拾取传感器105的效率。这种方法的难点在于，当流量计组件10从一个频率转换到另一频率时(例如从ω₁到ω₀)，流量计组件10将陷入混乱，并将需要时间以便稳定回到其稳定状态中。在这一稳定周期期间，所有过程信息(粘度、密度和质量流速)可能丢失，或者测量质量可能严重下降。

本发明提供一种至少对质量流速、密度和粘度的基本上连续且未受损害的测量。

图5示出用于控制施加给流量计组件10的振动频率的反馈环。该反馈环可包括科里奥利传感器500(即流量计5)、相移器501、数模(D/A)转换器502、模数(A/D)转换器503和相位传感器504。在操作中，相移器501产生数字驱动信号，该数字驱动信号通过D/A502被转换为模拟驱动信号，并且被提供给科里奥利传感器500。拾取信号输出被提供给A/D 503，该A/D 503数字化模拟拾取信号，并且将它提供给相移器501。相位传感器504将输入(驱动)相位与输出(传感器)相位进行比较，并且对相移器501产生相位差信号。因此，相移器501可以控制被提供给科里奥利传感器500的驱动信号的相移和频率。

如图中所示，本发明控制传感器的输入和输出之间的相位，以便使闭环谐振在第一振动频率ω₁和第二振动频率ω₂之间连续循环，同时保持该系统处于闭环控制下。使用标准锁相环技术，可以数字地实施这种相位控制。在一个实施例中，通过适当编程的数字信号处理器(DSP)可以执行闭环控制。然而，其他反馈或环控制技术可以被采用，并且在本说明书和权利要求书的范围内。

图5中所示的目标相位设定点是时间的周期函数，例如：

Ф(t)＝Ф₀+ΔФsin(2πt/T_φ)                     (10)

在一个实施例中，相位调制指数Δφ和调制周期T_φ在几秒的数量级上。利用这种缓慢改变的相位变化，如由图4B中所示的相位曲线所预测的，系统的闭环振荡频率将连续跟踪。因此，对于每个时间周期T_φ，通过在整个连续操作点ω_E[ω₁，ω₂]中跟踪相对幅度响应，可以测量所有相关变量(ω₀、ω₁、ω₂和质量流速)，而不需要对幅度响应的绝对校准。

根据所需的响应时间，可以以各种方式确定密度ρ。例如在一个实施例中，通过每当相位通过密度校准相位点ρ_cal就周期性更新密度输出，可以确定密度ρ。在另一实施例中，通过应用频率校正因子来动态确定密度ρ，其中频率校正因子依赖于实际相位和产物的粘度。

通过利用经过流量计组件10的质量流速220以及根据流量计组件10的固有谐振频率，可以确定剪切速率224。因此，通过改变流速和/或通过以不同的振动模式来改变流量计5的谐振频率，可以改变剪切速率224。这一能力导致能够基本上瞬时解析(profile)非牛顿的或液体的产物。剪切应力与剪切应变的速率线性相关的流体被称为牛顿流体。牛顿物质被称为真液体，因为它们的粘度或稠度不受剪切的影响，例如以恒定温度的搅动或泵送。幸运的是，大多数常见流体(液体和气体)是牛顿性的，其中包括水和油。

根据由流量计组件10同时测量的三个主测量值，可以确定流动介质的雷诺数R_e 225，即雷诺数R_e 225可以根据质量流速220、密度221以及根据动力粘度223来确定。

可以将由科里奥利流量计5所产生的振动响应另外用于其他目的。例如，在一个实施例中，所述两个或更多个振动响应可被用来确定流量计组件10的挠曲刚度。该挠曲刚度可以被使用以便基于刚度变化来校正流量校准因子(FCF)。

影响挠曲刚度的因素还影响科里奥利流量计的灵敏度(流量校准因子)。挠曲刚度是通过利用已知力模式使流管弯曲并测量流管的位移而导出的静态弹性系数。任何作用力模式都可以被用来测量挠曲刚度，只要它是不变的。例如，夹紧梁的挠曲刚度如下：

$K_{\mathrm{Flex}}=\frac{F}{\mathrm{\δ}}=\frac{192\mathrm{El}}{L^3}---\left(11\right)$

其中：

F-力(N)；

E-杨氏模量(N/m²)；

I-惯性矩(m⁴)；

L-长度(m)；

K_flex-流管的挠曲刚度。

对于科里奥利流量计，如果挠曲刚度改变，则必须改变校准因子。科里奥利流量计的挠曲刚度被定义为：

K_flex＝C_PC_GC_S[EI]                               (12)

其中：

C_P-力模式对挠曲刚度的影响；

C_G-非挠曲管弯曲几何结构对挠曲刚度的影响；

C_S-非挠曲管应力对挠曲刚度的影响。

对于没有预应力的直管科里奥利流量计，下面的表达式示出校准因子对EI的依赖性：

$m=C\left[\frac{\mathrm{EI}}{L^3}\right]\mathrm{\ΔT}---\left(13\right)$

因此，用于直管的流量校准因子(FCF)是：

$\mathrm{FCF}=C\left[\frac{\mathrm{EI}}{L^3}\right]---\left(14\right)$

其中C是通过振型和拾取位置所确定的常数。

还可以通过在给定频率对管频率响应函数(FRF)上的点进行估计来确定流管挠曲刚度。然后，这些点被用来对数据进行单自由度模型拟合，并且确定在FRF上的DC(例如零交叉)点。

使用多频率估计过程可以验证流量校准因子。通过使用任何时域或频域系统识别方法识别常数m₁、c₁、k₁、ζ₁、ω₁和A₁来开始多频率估计。使用曲线拟合过程对复频率响应矢量H以矢量W(以弧度/秒为单位)中的频率组来拟合有理连续时间传递函数模型。FRF数据点的数量和位置(频率)的确影响拟合的质量。使用少至2个频率响应数据点来实现良好的拟合。所导出的模型具有以下形式：

$H\left(s\right)=\frac{b\left(1\right)s^{N_b}+b\left(2\right)s^{(N_b-1)}+\·\·\·+b(N_b+1)}{s^{N_b}+a\left(2\right)s^{(N_a-1)}+\·\·\·+a(N_a+1)}---\left(15\right)$

驱动器拾取迁移率(mobility)(速度)频率响应数据被转换为能接受的(位移)形式。所测量的迁移率频率响应数据H必须乘以1/(iω)。所测量的迁移率驱动环频率响应H应当为从驱动线圈电流(与力成比例)到拾取电压(与速度成比例)。

将迁移率数据转换为可接受数据产生具有以下形式的H(s)：

$H\left(s\right)=\frac{b\left(1\right)}{a\left(1\right)s^2+a\left(2\right)s+a\left(3\right)}---\left(16\right)$

其中a(1)＝1。感兴趣的模态参数从传递函数模型中被提取如下：

A₁＝b                                          (1)

ζ₁＝a(2)/2/ω₁

然后，可以使用下面的等式来计算物理参数：

m₁＝1/A₁

c₁＝2ζω₁/A₁                                     (18)

k₁＝ω₁ ²/A₁

一旦确定物理参数，就确定和校正流量校准因子中的变化以及其他参数(包括流管的质量和长度的变化)。

在另外的性能中，还可以使用所述两个或更多个振动响应来检测并区分流量计结构变化，例如流管的侵蚀、腐蚀和涂覆。在一个这样的实施例中，科里奥利流量计5以其谐振频率进行振动，以便使流量计5能够测量质量和密度。质量测量是基于下面的等式：

$\stackrel{o}{m}=\mathrm{FCF}*[\mathrm{\Δt}-\mathrm{\Δ}{t}_o]---\left(19\right)$

其中：

是质量流速；

FCF是流量校准因子；

Δt是时间延迟；以及

Δt₀是在零流量处的时间延迟。

FCF项与流量计的刚度成比例。刚度是影响流量计性能的主要参数。如果流量计的刚度改变，则流量计的FCF将改变。流量计性能的改变可以由例如侵蚀、腐蚀和涂覆引起。

为了反映刚度，等式(19)可以被重写为：

$\begin{array}{c}\end{array}\stackrel{o}{m}=G*\left(\mathrm{EI}\right)*[\mathrm{\Δt}-\mathrm{\Δ}{t}_o]---\left(20\right)$

其中：

G是与特定传感器相关的几何常数；

E是杨氏模量；以及

I是惯性矩。

当流量计的流管改变时，惯性面积矩I改变。例如，如果管腐蚀减小了壁厚，则惯性面积矩减少。

在一个实施例中，本发明包括一种用于根据所指示的流速变化来检测并区分流量计结构变化的过程。该过程开始于使用多模式和下面的等式对质量流速

的确定：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{o}{m_1}\\ \stackrel{o}{m_2}\\ \stackrel{o}{m_n}\end{array}\right)=E\left(\begin{array}{ccc}{G}_1& & \\ & G_2& \\ & & G_n\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{I}_1& & \\ & I_2& \\ & & I_n\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Δt}}_1& & \\ & \mathrm{\Δ}{t}_2& \\ & & \mathrm{\Δ}{t}_n\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{t}_{1o}\\ \mathrm{\Δ}{t}_{2o}\\ \mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{no}}\end{array}\right)---\left(21\right)$

当由流动噪声或受迫振动来激励多模式时，所述模式的振动将与经过流管的质量流量耦合，从而对每个模式引起科里奥利响应。科里奥利响应产生一个相关的Δt，该相关的Δt被用来计算每个模式的质量流量读数。

对每个模式的质量流量读数进行比较。所得到的质量流速对于每个模式必须是相同的。如果质量流量读数是相等的，则该比较生成“正确操作”信号，并且该过程重新开始。“正确操作”信号可以是以例如用户可见或可听到的信号的形式。

当质量流速之间发生偏差(其在可接受的极限之外)时，生成出错信号。该出错信号可以引起各种动作发生。例如，该出错信号可以引起该过程被停止，或者可以向操作者发出可见或可听到的告警的信号，该操作者然后采取适当动作。

对科里奥利流量计5的密度测量基于下面的等式：

$2\mathrm{\πf}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}}=\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(22\right)$

其中：

k是组件的刚度；

m是组件的质量；

f是振荡频率；以及

T是振荡周期。

等式(22)是用于单自由度系统的运动方程的解。科里奥利流量计在零流量处由等式(22)的展开式来表示，从而生成：

$\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{EIG}}_{\mathrm{\ρ}}}{{\mathrm{\ρ}}_f{A}_f+{\mathrm{\ρ}}_t{A}_t}}---\left(23\right)$

其中：

E是杨氏模量；

I是横截面惯性矩；

G_ρ是几何常数；

A是横截面积；

ρ是密度；

f表示流量计中的流体；以及

t表示流管的物质。

通过重新排列各项，等式(23)可被重写为：

ρ_f＝C₁T²-C₂                            (24)

其中：

$G_1=G_{\mathrm{\ρ}}\frac{\mathrm{EI}}{4{\mathrm{\π}}^2{A}_f},$ 以及                              (25)

$C_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_t{A}_t}{A_f}$

几何常数G_ρ考虑到几何参数，例如管的长度和形状。常数C₁和C₂被确定为对两种不同流体在零流量处标准校正过程的一部分。

在一个实施例中，本发明包括一种用于根据所指示的密度的变化来检测并区分流量计结构变化的过程。该过程开始于使用多模式对密度ρ的确定。由流动噪声或受迫振动可以激励多模式。

对每个模式的密度读数进行比较。所得到的密度读数对于每个模式必须是相同的。如果密度读数是相等的，则该过程生成“正确操作”信号，并且该过程重新开始。“正确操作”信号可以是以用户可见或可听到的信号的形式。

当密度读数之间发生偏差(其在可接受的极限之外)时，生成出错信号。该出错信号可以引起各种动作发生。例如，该出错信号可以引起该过程被停止，或者可以发出操作者可见或可听到的告警的信号，该操作者然后采取适当动作。

如果期望的话，根据本发明的科里奥利流量计和方法可以根据所述实施例中的任何一个被采用，以便提供几个优点。本发明提供一种能够测量各种流动特性的流量计。本发明使用至少第一和第二振动频率以激励流量计组件来测量流动特性。本发明有利地操作科里奥利流量计以提供对动力粘度、运动粘度和密度的附加测量，而没有损害流量计的质量流量测量性能。本发明另外可提供剪切速率、雷诺数、VOS和阻尼因子值。这些各种各样的流动特性对流动介质的组成和特性有利地给出更详细和更明确的信息。

在实际上所有的主要工业中，对于同时测量质量流量、密度和粘度的产品存在大量的应用。在一个例子中，本发明可被用于船舶的燃油混合，其中将煤油与燃油混合到给定的运动粘度规格。所得到的混合物可被同时定量供应到船舶上。为了提供这种应用的解决方案，需要质量流速、密度和粘度的测量。

在另一个例子中，本发明可被用于润滑油装桶。存在许多不同的润滑油，并且它们典型地以单流和分批装桶被制造。在分批装桶期间，不同润滑油产品之间的界面必须被准确地检测，以便防止污染。使用由本发明所提供的粘度测量，通过产品粘度的变化来检测界面。使用由本发明所提供的质量流速测量，质量流量输出被用来精确地分批装桶。

在另一个例子中，本发明可被用于接收高果糖玉米糖浆(HFCS)溶液，例如HFCS-55。在接收HFCS溶液期间，每种溶液将具有特定的密度(以Brix为单位)和粘度质量规格。Brix已被定义为固体在植物汁中的百分比的量度，或者可替换地被定义为蔗糖(糖)的百分比的量度。显然，具有同时测量这些质量参数和质量流速的能力对于客户具有重要的好处。

Claims (25)

1.一种科里奥利流量计(5)，包括一个或多个流管(103)、固定到所述一个或多个流管(103)的至少两个拾取传感器(105，105′)、以及被配置成使所述一个或多个流管(103)振动的驱动器(104)，所述科里奥利流量计(5)的特征在于：

仪表电子设备(20)，其被耦合到所述至少两个拾取传感器(105，105′)和该驱动器(104)，该仪表电子设备(20)被配置成：利用第一振动频率并以第一异相弯曲模式使流量计的所述一个或多个流管(103)振动；测量所述一个或多个流管(103)的第一振动响应，其中所述第一振动响应是响应于第一振动频率而生成的；利用至少第二振动频率并以第一异相弯曲模式使所述一个或多个流管(103)振动；测量第二振动响应，其中所述第二振动响应是响应于第二振动频率而生成的；并且使用所述第一振动响应和第二振动响应来至少确定质量流速和粘度。

2.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，所述确定进一步包括确定密度。

3.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，所述确定进一步包括确定剪切速率。

4.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，所述确定进一步包括确定雷诺数。

5.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，所述确定进一步包括确定声速(VOS)。

6.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，所述确定进一步包括确定压力。

7.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，所述粘度包括运动粘度。

8.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，所述粘度包括动力粘度。

9.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，进一步包括：在所述第一振动频率和所述第二振动频率之间进行跳跃。

10.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，进一步包括：利用所述第一振动频率和所述第二振动频率使所述一个或多个流管(103)同时振动。

11.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，进一步包括：在预定扫描时段上在所述第一振动频率和所述第二振动频率之间进行扫描。

12.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，所述第一振动频率和所述第二振动频率在所述一个或多个流管(103)的基频之上和之下是等间隔的。

13.权利要求1所述的科里奥利流量计(5)，所述一个或多个流管(103)包括两个U形的流管。

14.一种用于确定科里奥利流量计中的流动特性的方法，该方法包括：利用第一振动频率并以第一异相弯曲模式使流量计的一个或多个流管振动；并且测量所述一个或多个流管的第一振动响应，其中所述第一振动响应是响应于第一振动频率而生成的，该方法的特征在于：

利用至少第二振动频率并以第一异相弯曲模式使所述一个或多个流管振动；

测量第二振动响应，其中所述第二振动响应是响应于第二振动频率而生成的；并且

利用第一振动响应和第二振动响应来至少确定流动介质的质量流速和粘度。

15.权利要求14所述的方法，所述确定进一步包括确定密度。

16.权利要求14所述的方法，所述确定进一步包括确定剪切速率。

17.权利要求14所述的方法，所述确定进一步包括确定雷诺数。

18.权利要求14所述的方法，所述确定进一步包括确定声速(VOS)。

19.权利要求14所述的方法，所述确定进一步包括确定压力。

20.权利要求14所述的方法，所述粘度包括运动粘度。

21.权利要求14所述的方法，所述粘度包括动力粘度。

22.权利要求14所述的方法，进一步包括：在所述第一振动频率和所述第二振动频率之间进行跳跃。

23.权利要求14所述的方法，进一步包括：利用所述第一振动频率和所述第二振动频率使所述一个或多个流管同时振动。

24.权利要求14所述的方法，进一步包括：在预定扫描时段上在所述第一振动频率和所述第二振动频率之间进行扫描。

25.权利要求14所述的方法，所述第一振动频率和所述第二振动频率在所述一个或多个流管的基频之上和之下是等间隔的。

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