CN100543426C - 用于补偿科里奥利计的设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种流测量系统，用来提供补偿的质量流率测量与补偿的密度测量中的至少一项。该流测量系统包括与科里奥利计相组合的气体体积分率(GVF)计。GVF计测量通过流体传播的声压，以测量通过流体传播的声音的速度α_mix，计算至少该流体的气体体积分率和/或减小的固有频率。为了确定用于科里奥利计的改进的密度，计算的气体体积分率和/或减小的频率被提供到处理单元。通过使用分析得到的或根据经验得到的密度校准模型(或由此得到的公式)来确定改进的密度，它是测量的固有频率和至少一项确定的GVF、减小的频率、和声音速度或它们的任何组合的函数。气体体积分率(GVF)计可包括传感设备，具有沿管道轴向间隔开的多个基于应变的或压力传感器，用于测量通过流传播的声压。

Description

用于补偿科里奥利计的设备和方法

相关专利申请的交叉参考

本专利申请要求以下专利申请的权益：2004年6月14日提交的美国临时专利申请No.60/579,448(代理人文档CC-0745)；2004年5月12日提交的美国临时专利申请No.60/570,321(代理人文档CC-0739)；2004年1月28日提交的美国临时专利申请No.60/539,640(代理人文档CC-0704)；2003年11月25日提交的美国临时专利申请No.60/524,964(代理人文档CC-0683)；2003年10月20日提交的美国临时专利申请No.60/512,794(代理人文档CC-0668)；2003年10月10日提交的美国临时专利申请No.60/510,302(代理人文档CC-0664)；2003年9月22日提交的美国临时专利申请No.60/504,785(代理人文档CC-0657)；2003年9月16日提交的美国临时专利申请No.60/503,334(代理人文档CC-0656)；2003年8月1日提交的美国临时专利申请No.60/491,860(代理人文档CC-0643)；2003年7月15日提交的美国临时专利申请No.60/487,832(代理人文档CC-0641)；这些专利申请在此引用以供参考。

技术领域

本发明涉及用于测量其中夹带有气体的流的密度和/或质量流率的设备，更具体地，涉及用于测量声音通过该流传播的速度以便确定该过程中流的气体体积分率(gas volume fraction)，从而增扩或校正科里奥利(coriolis)计的密度和/或质量流率的测量结果的设备。

背景技术

科里奥利计被广泛地使用于工业上的流量测量，代表在工业的流量计市场上最大的和快速增长的一个部分。科里奥利计以高精度著称，且提供质量流量和密度作为它们的基本测量结果。

自从该技术在二十世纪八十年代开始被工业界首次采用以来，科里奥利计已经享有一种高定价、高精度计的声誉，用于高价值应用-主要是在化学处理工业内。然而，尽管它们有这些成功，科里奥利计仍由于在二相流中-主要是气体/液体混合物的气泡流中性能较差而受到困扰。

科里奥利计对于充气或气泡流有两个基本问题。首先，气泡流向科里奥利计提出可操作性方面的挑战。大多数科里奥利计使用电磁驱动传动器，来使流管以它的固有频率振动。这些计依赖于振动的管来生成科里奥利力，它使得流管的一个腿(leg)滞后于另一个腿。科里奥利力，且因此是相位滞后，理想地正比于通过流管的质量流量。流管典型地以共振频率或接近于共振频率被激励，这样，对于保持管中指定振动幅度所需要的激励力是系统中阻尼的强(strong)函数。单相混合物对弯管的振动引入很小的阻尼，然而，系统中的阻尼量随气泡的引入而显著地增加。结果，需要更多的功率以保持在气泡流中在管中的振动。常常需要比可得到的更多的功率，从而导致科里奥利计的“失速”。

而且，科里奥利计经常需要大量的时间来相对与气泡或充气流的开始有关的、流管共振频率的经常快速改变而进行调节。流管实质上为其而被失速的这些延时极大地削弱了科里奥利计在许多二相流和瞬态响应很重要的应用中的可利用性，诸如批量处理。许多制造商一直以来以及目前都正在解决这个失速问题。

第二，多相流提出了精度方面的挑战。由充气流状况提出的精度挑战是：与科里奥利计的工作原理有关的许多基础假设随充气流的引入而不断地变得越来越不精确。本发明提供一种用于改进对所有类型的流体操作的科里奥利计的精度的手段，特别着重于增强对二相气泡流和混合物操作的精度。

发明内容

本发明的目的包括一种仪器，其具有用于确定声音在管道中的流体流内传播的速度的设备，以便确定在管道内流动的过程流体或流的气体体积分率，且进行增扩以改进科里奥利计的密度和/或质量流率测量结果的精度。

按照本发明，提供用于测量在管道中流动的流体的密度的流测量系统。该流测量系统包括科里奥利计、流测量设备和处理单元。科里奥利计具有至少一个其中流过流体的管。科里奥利计提供指示管的固有频率的频率信号和/或指示在一对管之间的相位差的相位信号。流测量设备测量声音通过流体传播的速度。流测量设备提供以下至少其中之一：指示声音通过流体传播的速度的SOS信号、指示流体中气体体积分率的GVF信号、和指示流体的减小的频率的减小频率。处理单元根据SOS信号、GVF信号、和减小的频率信号中的至少一项以及相位信号来确定补偿的质量流率测量结果和/或根据SOS信号、GVF信号、和减小的频率信号与该频率信号确定补偿的密度测量结果。

通过以下的本发明的示例性实施例的详细说明将更明白本发明的上述的和其它的目的、特性和优点。

附图说明

图1是按照本发明的流测量系统的示意图，用于提供对于在管道中流过的流体流内夹带的气体增扩的密度和/或质量流率测量。

图2是按照本发明的另一个流测量系统的示意图，用于提供对于在管道中流过的流体流内夹带的气体增扩的密度和/或质量流率测量。

图3是按照本发明的、类似于图1的流测量系统的处理单元的功能性框图。

图4是按照本发明的、没有流体流过的科里奥利计的模型的示意图。

图5是按照本发明的、有流体流过的科里奥利计的模型的示意图。

图6是按照本发明的、考虑充气流体的可压缩性的、有充气流体流过的科里奥利计的模型的示意图。

图7是按照本发明的、管道的固有频率作为流体流的气体体积分率的函数的曲线图。

图8是按照本发明的、减小的频率作为流体流的气体体积分率的函数的曲线图。

图9是按照本发明的、流体流非均匀性对科里奥利计的管的影响的示意图。

图10是按照本发明的、考虑充气流体的可压缩性非均匀性的、有充气流体流过的科里奥利计的模型的示意图。

图11是按照本发明的、在气体的不同临界阻尼关系下视密度作为流体流的气体体积分率的函数的曲线图。

图12是按照本发明的、对于管的固有频率不同的多个科里奥利计的、减小的频率作为流体流的气体体积分率的函数的曲线图。

图13是按照本发明的、科里奥利计/夹带的空气设施的示意图。

图14是按照本发明的、以100Hz共振频率、具有1英寸直径管的科里奥利计的视密度作为气体体积分率函数的曲线图。

图15是按照本发明的、以300Hz共振频率、具有1英寸直径管的科里奥利计的视密度作为气体体积分率的函数的曲线图。

图16是按照本发明的、当夹带的空气的体积变化时，科里奥利计的视密度、校正的视密度和气体体积分率随时间过去的曲线图。

图17是按照本发明的、减小的频率作为声音速度的函数的曲线图。

图18是按照本发明的、密度因子与质量流量因子作为气体体积分率的函数的曲线图。

图19是按照本发明的、当夹带的空气的体积变化时，科里奥利计的质量流率、校正的质量流率和气体体积分率以及由mag计测量的质量流率随时间过去的曲线图。

图20是按照本发明的、气体体积分率计的示意性框图。

图21是按照本发明的、气体体积分率计的另一个实施例的示意性框图。

图22是按照本发明的、从用来测量声音通过管道的流体流的速度的压力传感器阵列处理的数据的kω图。

图23是按照本发明的、在不同的压力范围上流体流的声音速度作为气体体积分率的函数的曲线图。

图25是按照本发明的一个科里奥利计的透视图，该科里奥利计具有布置在科里奥利计的管上的传感器阵列。

图26是按照本发明的一个科里奥利计的另一实施例的透视图，该科里奥利计具有布置在科里奥利计的管上的传感器阵列。

具体实施方式

科里奥利计提供对于通过管道14的流体流12的质量流量和/或密度的测量。如前面详细地描述的，科里奥利计在流体流内存在夹带的气体(例如带泡的气体)时提供有误差的质量流量和密度测量。本发明提供用于补偿科里奥利计以提供校正的或改进的密度和/或质量流量测量的手段。

如图1所示，体现本发明的流测量系统10的一个实施例包括科里奥利计16、声音速度(SOS)测量仪器18和处理单元20，用来提供任何一个或多个以下的流体流参数，即：气体体积分率、声音通过流体流传播的速度、未补偿的密度、补偿的密度和合成。流体流可以是任何充气的流体或混合物，包括液体、浆、固体/液体混合物、液体/液体混合物、和任何其它多相流。

在本实施例中，科里奥利计16提供指示装载流体12的科里奥利计的管的固有频率的频率信号22和/或指示在科里奥利计的管中的相位滞后的相位信号23。SOS测量仪器18提供指示声音通过流体流传播的速度的SOS信号24。处理单元24处理频率信号、相位信号和SOS信号，以提供前面描述的至少一个流体流参数。压力和/或温度信号26，28也可被提供到处理单元20，它可被使用来提供气体体积分率的更精确的测量。压力和温度可以通过已知的装置被测量，或被估计。

科里奥利计可以是任何已知的科里奥利计，诸如由我的MicroMotionlnc.制造的2英寸弯管科里奥利计和由Endress & Hauser Inc.制造的2英寸直管科里奥利计。科里奥利计包括一对弯管(例如，U形、扭结(pretzel)形状)，或直管，正如此后描述的。

SOS测量设备18包括用于测量声音通过充气流12传播的速度的任何装置。一种方法包括沿管道14轴向地间隔开的一对超声传感器，其中在超声发射器与接收器之间传播的超声信号的飞行时间。取决于流的特性，超声信号的频率必须相对低，以减小流内的散射。该测量计类似于在2004年1月13日提交的美国专利申请No.10/756,922(CiDRA文档No.CC-0699)中描述的，该专利申请在此引用以供参考。

替换地，如图2，20和21所示，SOS测量仪器可以是气体体积分率(GVF)计，它包括传感设备116，具有多个沿管道轴向地间隔开的基于应变或压力的传感器118-121，用于测量在流12中传播的声压190。GVF计100确定并提供指示在流体中的SOS的第一信号27和指示流12的气体体积分率(GVF)的第二信号29，这将在后面更详细地描述。

图3显示图2的流测量系统的功能性框图30。如图所示，GVF计100测量在流体中传播的声压，以测量声音速度α_mix。GVF计通过使用测量的声音速度至少计算流体的气体体积分率和/或减小的固有频率。GVF计也可使用过程流(process flow)的压力来确定气体体积分率。压力可被测量或估计。

为了确定用于科里奥利计的改进的密度，计算的气体体积分率和/或减小的频率被提供到处理单元21。改进的密度通过使用分析地得到的或根据经验得到的密度校准模型(或因此得到的公式)被确定，它是测量的固有频率和至少一项确定的GVF、减小的频率和声音速度、或它们的任何组合的函数，这将在后面更详细地描述。改进的密度测量结果是在管道中通过的充气流的密度。

本发明还构想确定充气流的改进合成信息。换句话说，在知道声音通过流传播的速度和改进的密度后，处理单元21可以确定多相流的流体/混合物部分的密度。

例如，充气流的密度(ρ_mix)涉及各组分的体积相位分率(volumetricphase fraction)(φ_i)和组分的密度(ρ_i)。

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i{\mathrm{\ρ}}_i$

其中连续性要求：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i=1$

系统10提供充气流的密度的改进的测量。对于二组分混合物，知道密度(ρ_gas)，气体体积分率(或SOS)和精确地测量混合物密度(ρ_mix)便提供了确定流体流的非气体部分的密度(ρ_nongas)的手段。例如，对于二组分流体流：

ρ_mix＝ρ_nongasφ_nongas+ρ_gasφ_gas

所以ρ_nongas＝(ρ_mir-ρ_gasφ_gas)/φ_nongas，其中φ_nongas＝1-φ_gas

其中ρ_mix是混合物的密度，ρ_nongas，φ_nongas分别是流体流的非气体组分的密度和相位分率以及ρ_gas，φ_gas分别是在混合物内夹带的气体的密度和相位分率。

所以，知道气体/空气的密度(ρ_gas)、气体的测量的气体体积分率(φ_gas)、和要为夹带的气体补偿的充气流的改进密度测量(ρ_mix)使得能够确定充气流12的非气体部分的密度(ρ_nongas)，这提供充气流12的改进的合成信息。

本发明还构想补偿或改进科里奥利计16的质量流率测量，如图3所示。为了确定用于科里奥利计的改进的质量流率，把计算的气体体积分率和/或减小的频率提供到处理单元21。改进的质量流率是通过使用分析地得到的或根据经验得到的质量流量校准模型(或由此得到的公式)而被确定的，它是测量的相位差(Δ

)和至少一项确定的GVF、减小的频率与声音速度或它们的任何组合的函数，这将在后面更详细地描述。为了确定用于科里奥利计的改进的密度，把计算的气体体积分率和/或减小的频率提供到处理单元21。改进的密度是通过使用分析地得到的或根据经验得到的密度校准/参数模型(或由此得到的公式)而被确定的，它是测量的固有频率和至少一项确定的GVF、减小的频率与声音速度或它们的任何组合的函数，这将在后面更详细地描述。改进的质量流量测量结果是通过管道的充气流的质量流率。

虽然改进的质量流量和改进的密度测量可以是GVF、SOS和减小的频率的函数，但本发明设想这些改进的测量可以是诸如气体阻尼ζ_gas那样的其它参数的函数。

而且，虽然功能性框图显示处理单元21可以改进密度测量和科里奥利计16的密度测量，但本发明设想处理可能仅仅补偿或改进密度和质量流率参数之一。

对于此后给出的图10的一个集总参数模型的结果证实了被归因于充气的、振动管密度计的长的被认知精度的恶化。该模型可被使用来定性地例示几个支配在充气流体中该计的性能的无量纲(non-dimensional)参数的角色。从这些模型可以得出结论，气体体积分率起主导作用，而包括气体阻尼ζ_gas和减小的频率的几个其它参数也影响性能。

虽然简化的模型可以提供对各种参数的影响的某些了解，但由于多相的、非稳定流体动态特性的内在的复杂性，定量模型仍然难于定义。而且，与校正在液体的解译密度中充气的影响有关的困难不仅仅通过科里奥利计从工作在均匀的、准稳定的参数空间的熟知设备变形到工作在复杂的、非均匀的、非稳定的操作空间中的设备而复杂化，而且也通过当前的科里奥利计不能精确地确定在处理混合物中存在的充气量而被复杂化。

本发明提供一种方法，其中过程流体的声音速度测量与振动管密度计的固有频率测量集成在一起，以形成具有增强的、在充气流中精确地操作的能力的系统。引入实时的声音速度测量便解决了在多个水平上充气的影响，旨在使基于振动管的密度测量能够继续在存在夹带的空气的情形下以接近于对于不充气液体的精度来报告液体密度。第二，声音速度的实时测量与气体体积分率的得到的测量然后通过根据经验得到的校正因子被利用，来改进在充气流体的密度方面振动管的测量的固有频率的解译。第三，充气混合物密度和充气混合物声音速度的组合知识，使能确定非充气液体组分密度，提供改进的合成信息。应当指出，液相包括纯液体、液体混合物、以及液体/固体混合物。

描述了改进充气液体的、基于振动管的密度测量的精度的方法。对于大多数密度测量设备，在处理混合物内小的但未知的夹带气相量的存在可在测量的混合物密度以及液相的解译密度中引入很大的误差。

本发明的一个实施例描述一种测量流体密度的方法，它把基于声纳的声音速度测量与通常在科里奥利质量与密度计中使用的、基于振动管的密度测量相结合，以确定充气液体的密度。众所周知，科里奥利计的精度可对于过程流体的充气而大大地恶化。用声音速度测量来增扩科里奥利计的输出提供了一种新颖的方法，以便用两种方式改进对于充气流的密度测量。首先，基于声音速度的气体体积分率测量提供充气的过程流体的气体体积分率和可压缩性的基于第一原理的实时测量。第二，过程流体的声音速度可被使用来补偿充气混合物的增加的可压缩性和不均匀性对于科里奥利密度测量的输出的影响。

为了说明充气影响振动管密度测量的基本方式，形成了用于振动管中充气的影响的、简化的集总参数模型。该模型说明充气的影响可归因于至少两个独立的机构：1)离散的气泡的密度非均匀性，以及2)由于充气引起的增加的混合物可压缩性。分析结果得到实验数据的支持，它们表明：用声音速度测量增扩来自科里奥利计的密度测量大大地增强了以接近于对于不充气混合物的精度来确定充气液体的密度的能力。

科里奥利密度测量

虽然科里奥利计16的具体的设计参数有许多，并且是变化的，但所有的科里奥利计实质上都是气动弹性设备。气动弹性力学是在描述耦合的流体动态和结构动态系统的动态互动研究(例如在空气动力下飞行器的静态和动态响应)的航空科学中发展出来的一个名词。科里奥利流量计依赖于表征填充流体的振动流管302的气动弹性响应，以确定质量流率和过程流体密度测量结果，见图23和24。

在科里奥利计16中被使用来确定过程流体密度的物理原理类似于在振动管密度计中使用的原理。在这些设备中，过程流体12的密度通过把填充流体的管的固有频率与过程流体的密度相关而被确定。为了说明这个原理，考虑填充真空的流管的振动响应。

在这个模型中，如图4示意地显示的，振荡频率由管的有效劲度(stiffness)(K_struct)与管的有效质量(m_struct)之间的比值给出。

$f_{\mathrm{nat}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_{\mathrm{struct}}}{m_{\mathrm{struct}}}}$

把流体引入到管，改变了振荡的固有频率。在流体12的准稳定和均匀的模型下，流体的主要影响是对管的惯性荷载。流体典型地对于系统的劲度具有可忽略的影响。因此，在这个模型的框架内，流体12的质量直接加到结构的质量，如图5示意地显示的。

在管中流体12的质量正比于流体密度，所以，固有频率随流体密度增加而减小，如下面描述的：

$f_{\mathrm{nat}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_{\mathrm{struct}}}{m_{\mathrm{struct}}+{\mathrm{\β\ρ}}_{\mathrm{fluid}}}}$

其中β是与振动管的几何结构与振动特性有关的校准的常数。

通过重新安排，在振动管的测量的固有频率f_nat与管内的流体密度之间的代数关系式可被写为下式：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fluid}}=\frac{1}{\mathrm{\β}}(\frac{K_{\mathrm{struct}}}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{f}_{\mathrm{nat}}^2}-m_{\mathrm{struct}})$

在定义流体的有效质量与结构质量之间的比值为α后，加载流体的管道的固有频率被给出为：

$f_{\mathrm{nat}}=f_s\sqrt{\frac{1}{1+\mathrm{\α}}},$ 　　其中 $\mathrm{\α}\≡\frac{m_{\mathrm{fluid}}}{m_{\mathrm{struct}}}$

这个基本框架提供用来确定在大多数工作条件下的过程流体密度的精确的手段。然而，有关流体12与结构的互动的某些基本假设在不同的工作条件下可恶化。具体地，在振荡的管中充气流体的性状以两个重要的方式与单相流体不同：增加的可压缩性和流体非均匀性。

流体可压缩性

众所周知，大多数充气液体比非充气液体是显著地更可压缩的。流体的可压缩性直接关系到流体12的声音速度和密度。

混合物密度和声音速度可以通过以下混合法则与组分的密度和声音速度相联系，这些法则可应用于单相和很好地散布的混合物，并且形成用于基于声音速度的夹带的空气测量的基础。

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{mix}}=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}{a}_{{\mathrm{mix}}_{\∞}}^2}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\φ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_i{a}_i^2}$

其中 ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\φ}}_i$ 且κ_mix是混合物可压缩度，以及φ_i是组分体积相位分率。

与以上的关系式一致，把空气引入到水中大大地增加了混合物12的可压缩度。例如，在环境压力下，空气的可压缩度比水约高25,000倍。因此，加1％夹带的空气，使得混合物的可压缩度增加250倍。概念上，可压缩度的这种增加引入动态影响，它使得在振荡的管内充气混合物的性状的动态特性不同于基本上不可压缩的单相流体的动态特性。

流体12的可压缩性的影响可被合并到振动管的集总参数模型中，如图6示意地显示的。弹簧的劲度代表流体的可压缩性。当可压缩性趋近于零时，弹簧劲度趋近无穷，并且模型变为等价于图5上给出的情形。

像以前一样，流体12的有效质量正比于流体的密度和流管的几何形状。在圆截面导管中第一横向声音模式的固有频率可被使用来估计该模型的适当的弹簧常数。

$f=\frac{1.84}{\mathrm{\πD}}{a}_{\mathrm{mix}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_{\mathrm{fluid}}}{m_{\mathrm{fluid}}}}$

应当指出，这个频率相应于约两个直径的声振荡的波长，即，这个横模是与管的“半波长”声共振密切有关的。图7显示1英寸管的第一横向声音模式的共振频率作为在标准温度和压力下被夹带在水中的空气的气体体积分率的函数。对于低水平的夹带的空气，第一横向声音模式的频率与100Hz的科里奥利计的典型结构共振频率相比较是相当高的，然而，声共振频率随夹带空气的水平的增加而快速地下降。

在表征气动弹性系统时，定义减小的频率参数以测定在耦合的动态系统之间互动的重要性常常是方便的。对于填充以流体的振动管，减小的频率可被定义为结构系统的固有频率与流体动力学系统的固有频率的比值。

$f_{\mathrm{red}}=\frac{f_{\mathrm{struct}}D}{a_{\mathrm{mix}}}$

其中f_struct是真空中的管的固有频率，D是管的直径，以及a_mix是过程流体的声音速度。对于此应用，由于减小的频率与1相比较是可忽略的，所以系统接近于准稳定工作。在这些情形下，诸如图6所示的那样的、忽略流体的可压缩性的模型多半是合适的。然而，非稳定性的影响随越来越减小的频率而增加。对于给定的科里奥利计，混合物声音速度对于减小的频率中的改变具有占主导的影响。图8显示对于具有100Hz的结构固有频率的1英寸直径管，作为夹带空气的函数的减小的频率曲线图。如图所示，减小的频率对于非充气的水是相当小的；然而，随增加的气体体积分率而快速地构建，这指示可压缩性的重要性随气体体积分率增加。然而，当考虑变化设计参数的科里奥利计时，管固有频率或管直径的增加将增加对于给定的充气水平的非稳定性的影响。

流体非均匀性

除了大大地增加流体12的可压缩性以外，充气还给流体引入非均匀性。对于其中气体被夹带在液体连续流场的流状况，充气的一阶影响可以通过使用气泡原理进行建模。通过考虑被包含在具有ρ的密度的、非粘滞性的、不可压缩的流体中且被流体设置成运动的、密度为ρ₀的不可压缩球的运动，指示球的速度被给出为：

$V_{\mathrm{sphere}}=\frac{3\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}+2{\mathrm{\ρ}}_0}{V}_{\mathrm{fluid}}$

对于液体中大多数夹带的气体，球的密度约为低于液体密度的量级，以及气泡的速度接近流体速度的三倍。

考虑到在球在振动管的截面中运动的上下文中的这个结果，球与剩余流体相比较的增加的运动必定导致一部分剩余的流体具有减小的参与振荡的水平，从而导致减小的视在系统惯性(apparent system inertia)。

图9显示对于在填充充气的液体的管的振荡中非均匀性的影响的集总参数模型。在这个模型中，体积分率φ的气泡40跨支点42被连接到具有体积2^Γ的流体的补偿质量。支点被刚性地连接到外部管44。粘滞性的影响可以通过使用被连接来限制气泡40相对于液体的其余部分和管本身的运动的阻尼器46被建模。在管道截面(1-3^Γ)上液体的其余体积被填充以非粘滞性的流体。在非粘滞性的限制下，流体48(2^Γ)的补偿质量不参与振荡，以及质量小的气泡的速度变为管速度的三倍。这个相对运动的影响是减小管内流体的有效惯性到由均匀流体填充该管给出的(1-3^Γ)倍。在高粘滞性的限制下，增加的阻尼常数使得在气泡和液体之间的相对运动最小化，以及充气的流体的有效惯性趋近1-^Γ。通过这个充气的、但不可压缩的流体在管内振荡的模型来预测的有效惯性与在高的和低的粘滞性的限制下，由(Hemp等，2003)给出的那些模型一致。

人们应当理解，处理单元可以独立地或与集总参数模型一起使用这些模型。

组合的集总参数模型

对于充气对振动管密度计的影响给出模型，其中可压缩性和非均匀性的影响被独立地解决。图10显示通过使用以上形成的、机制特定的模型而并入可压缩性和非均匀性的影响的集总参数模型的示意图。

以上的集总参数模型的运动的公式，假设解具有e^st的形式，其中s是复频率，可以以无量纲的形式被表示为：

$\left[\begin{array}{cccccc}s+2{\mathrm{\α\ζ}}_{f}Q+2{\mathrm{\ζ}}_s& 1+{\mathrm{\αQ}}^2& -2{\mathrm{\α\ζ}}_{f}Q& -{\mathrm{\αQ}}^2& 0& 0\\ -1& s& 0& 0& 0& 0\\ 2{\mathrm{\ζ}}_{f}Q& -Q^2& (1-3\mathrm{\Γ})s+2{\mathrm{\ζ}}_{f}Q+2{\mathrm{\ζ}}_g& Q^2& -2{\mathrm{\ζ}}_g& 0\\ 0& 0& -1& s& 0& 0\\ 0& 0& -2{\mathrm{\ζ}}_g& 0& 2\mathrm{\Γs}+2{\mathrm{\ζ}}_g& 0\\ 0& 0& 0& 0& -1& s\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{y}_1\\ x_1\\ y_2\\ x_2\\ y_3\\ x_3\end{array}\right]=0$

支配该模型的动态响应的参数在以下的表1中定义。

 

符号	说明	定义
			αQζ<sub>f</sub>ζ<sub>s</sub>ζ<sub>g</sub>τy	质量比固有频率比流体系统的临界阻尼比结构系统的临界阻尼比结构系统的临界阻尼比无量纲时间x的无量纲时间导数	m<sub>fluid</sub>/m<sub>struct</sub>ω<sub>fluid</sub>/ω<sub>struct</sub>b<sub>fluid</sub>/(2m<sub>fluid</sub>ω<sub>fluid</sub>)b<sub>struc</sub>/(2m<sub>struct</sub>ω<sub>struc</sub>)b<sub>gas</sub>/(2m<sub>fluid</sub>ω<sub>struct</sub>)tω<sub>struct</sub>dx/d<sup>τ</sup>

表1：对于被填充以可压缩的充气流体的管的集总参数模型的、支配运动的公式的无量纲参数的定义

解决上述的六阶本征值问题，便提供了评估各种参数对观察的密度的影响的手段。通过本征值分析而预测的主要管模式的固有频率被输入到来自准稳定的、均匀模型的频率/密度，以确定流体12的视密度为如下：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{apparent}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{liq}}}{\mathrm{\α}}(\frac{f_s^2}{f_{\mathrm{observed}}^2}-1)$

作为基线条件，分析具有在表2中给出的参数的“代表性的”科里奥利计。

 

符号	说明	数值
			f<sub>s</sub>αζ<sub>struct</sub>ζ<sub>fluid</sub>ζ<sub>gas</sub>QD	管的结构频率质量比临界阻尼比值-结构临界阻尼比值-流体临界阻尼比值-气体频率比值管直径	100Hz1.250.010.010.01由在STP的空气/水中的声音速度和结构参数确定的1.0英寸

表2：规定基线振动管密度计的参数

对于给定的科里奥利计，充气的水平对于实际的和视在的混合物密度之间的差别有占主导的影响。然而，由集总参数模型标识的其它参数也起重要的作用。例如，与气泡相对于管内流体的运动有关的阻尼参数ζ_gas是支配系统对充气的响应的参数。ζ_gas对混合物的视密度的影响被显示于图11。如图所示，对于ζ_gas趋近零，视密度趋近1-3^Γ，即，该测量计低报告(under report)2^Γ的充气混合物的密度。然而，当ζ_gas增加时，视密度接近于1-^Γ的实际的流体密度。

可压缩性的影响显示于图12，在图上，模型预测的观察的密度被显示为仅在管的固有频率上不同的一系列测量计的气体体积分率的函数。如图所示，主要受到在给定的充气水平下减小的工作频率影响的管的固有频率，可显著地影响充气流体的实际的和视在的密度之间的关系。

实验数据

如图13所示，设施被构建成实验地估计科里奥利计对充气的水的性能。该设施使用对单相水操作的mag计作为参考流速率和使用基于声纳的表100来监视充气混合物的气体体积分率。

充气液体的液体组分(即水)的密度，假设为常数。各种设计和制造的几种科里奥利计被测试。图14显示由具有100Hz的结构共振频率的1英寸直径管的科里奥利计测量的视密度。数据在从100到200gpm的流速率和16到26psi的科里奥利入口压力范围上被记录。显示了1-^Γ的充气混合物密度因子的理论上的正确密度，正如从1-3^Γ的准稳定非粘滞性气泡理论得到的结果。还显示了具有被调谐到0.02的ζ_gas的集总参数产生的密度因子。如图所示，科里奥利计的视密度与由GVF计100测量的气体体积分率是高度相关的。集总参数模型看来似乎也捕获该趋势。

图15显示由具有约300Hz的结构共振频率的1英寸直径管的科里奥利计测量的视密度。数据在与前一计相似的流速率和入口压力范围上被记录。再次地，显示了1-^Γ的充气混合物密度因子的理论上的正确密度，正如从1-3^Γ的准稳定非粘滞气泡理论得到的结果。还显示了具有被根据经验调谐到0.007的ζ_gas的集总参数产生的密度因子。如同其它被测试的测量计一样，科里奥利计16的视密度与由GVF计100测量的气体体积分率是高度相关。在集总参数模型的输出与密度计的输出之间的相关性提供了用于评估充气对过程流体12的视密度的影响的有用框架。

图16上显示在存在夹带的空气的条件下操作的声音速度增强的科里奥利密度测量的性能。数据显示在其间密度计经受夹带空气的范围从0到3％的变化量影响的、近似50分钟的周期期间视密度、夹带空气和校正的液体密度的时间历史。图15给出的数据是结合实时夹带空气测量一起被使用来量化在过渡期间在实际的液体密度与视在液体密度之间的差值。如图所示，由声音速度增强的测量计报告的液体密度的精度大大地改进而优于由基线表输出的视密度。

实验数据和分析结果表明夹带的气体对于基于振动管的密度测量的精度的重大影响。给出分析模型，例示增加的流体可压缩性与非均匀性的影响可如何在过程流体的解译的密度中引入重大误差。分析模型例示充气的影响如何与过程流体的气体体积分率、振动管的减小的频率、和其它参数相链接。虽然已例示了分析模型，但本发明设想：经验模型可被使用来补偿或改进科里奥利计16的密度和/或质量流率。

给出的实验数据表明：与组合用基于振动管的密度计16进行的气体体积分率和减小的频率的实时测量有关的优点可如何很大地改进充气混合物密度测量以及混合物的未充气液体部分的测量的精度。

质量流量校正

当前的现有技术水平看来似乎利用准稳定模型和根据准稳定模型的经验相关值，把测量的量与得到的流体参数相联系。用于流体结构互动的这个准稳定模型看来似乎适用于对大多数工业过程流操作的大多数科里奥利计。准稳定假设的有效性将随管道内流体的振动的减小的频率而缩放。在准稳定框架下，减小的频率越多，科里奥利计变得越不精确。

对于在科里奥利计内非稳定影响的一个相关的减小的频率是根据振动频率、管直径和过程流体声音速度的减小的频率：

${\tilde{f}}_D=\frac{\mathrm{fD}}{a_{\mathrm{mix}}}$

另一个相关的减小的频率是根据科里奥利管的总长度的减小的频率：

${\tilde{f}}_L=\frac{\mathrm{fL}}{a_{\mathrm{mix}}}$

应当指出，对于其中几何结构是固定的、任何给定的测量计设计，两个减小的频率是不独立的，以及互相是纯量倍数(scalar multiple)。对于给定的测量计，以上在减小的频率中的变化主要由过程流体声音速度中的变化来确定。

物理上，减小的频率代表在声音传播通过特征长度所需要的时间与管振动一周所需要的时间之间的比值。从性能和精度方面看来，减小的频率用来在流体与结构的气动弹性互动中捕获非稳定性的重要性。

在减小的频率趋近零的限制下，处理过程可被建模为准稳定的。科里奥利流量计的大多数分析模型将准稳定模型用于流体/结构互动。然而，对于非零的减小的频率，非稳定效果开始影响在所测量的结构响应(即在测量计的两个腿处的相位滞后和固有频率)与所寻找的流体参数(即流体的质量流量和流体密度)之间的关系。

然而，这里公开的内容是使用基于声音速度的气体体积分率参数，与质量流率的相位滞后有关的减小的频率参数。

如果基于直径的减小的频率是不可忽略的，则来自流体的对管道的惯性负荷形成随增加的频率增加的轻微的相位滞后。对于根据流管的长度的不可忽略的减小的频率，流速度中的振荡可随管道长度变化，潜在地引入测量计输出中的误差。

从量纲的角度看来，1英寸直径科里奥利计流管以大约80Hz、1.5mm的最大振幅被驱动。为了说明起见，流管的长度估计为约1米。通过使用这些数字，对于范围从1500m/s(过程液体典型的)和50m/s(对于气泡混合物可能)的混合物声音速度的、基于直径和长度的减小的频率被显示于图17。

如图所示，由于二相流造成的混合物声音速度的典型变化导致减小的频率中的显著变化。

因此，通过动态地减小混合物声音速度，把气体引入到液体混合物会大大地减小与科里奥利计有关的主振动的减小的频率。如果在解译时不考虑，则减小的频率中的这种增加会使得准稳定模型增加不精确性，并且导致质量流量和密度中的误差。

由于引入气泡流体造成的、科里奥利计精度的这种减小在文档上被很好地记载。事实上，其它人试图通过把质量流量中的观察的误差与过程流体内气体体积分率进行相关而校正夹带空气的影响。这些作者提出如下的根据GVF的校正。

$R=\frac{2\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}$

其中α代表气体体积分率而R代表通过由真实的质量流量被归一化的测量的(视在的)质量流量中的减小。因此，通过使用这种相关，夹带的空气中的1％增加将导致实际质量流量的约2％的低估。

虽然这个公式看来似乎捕获了实验观察的总的趋势，但它在这个领域中的使用具有两个缺点。首先，科里奥利计16没有测量气体体积分率的直接方式。假设使用流体的测量的视密度来估计夹带空气的水平，然而，由于两个基本测量，相位差和固有频率，都受到科里奥利振动的减小的频率的改变影响，所以这是成问题的。第二，气体体积分率多半不是影响测量相位差和质量流量与测量的固有频率和密度之间的关系的唯一的变量。虽然气体体积分率看来似乎在至少参数的某个范围上相关，但问题的物理现象间接表明：声音速度经由减小的频率影响，也可以对解译有直接的影响，正如以上显出的。

在本公开内容中所提出的是使用来自过程流体的直接声音测量来帮助科里奥利计16的解译。在这个解译中，这里形成的减小的频率参数被包括在振动管中的相位差与质量流量之间的关系的解译中，以及在过程流体密度方面，在解译振荡流管的固有频率中直接作用。与过程液体和气体组分以及过程温度和压力的知识相组合的声音速度测量也使能直接测量夹带的空气。因此，减小的频率参数和气体体积分率可被使用来作为在质量流量方面，在解译相位滞后时的输入。

由于在液体中空气含量与混合物声音速度之间的强烈的关系，在解译科里奥利计的基本测量结果时减小的频率参数的作用将在气泡流中具有更突出的效果。然而，在各种液体和其它处理混合物中声音速度且从而是操作的减小的频率中的改变也对于在这些应用中使用的科里奥利计的解译且因此是精度有影响。考虑流的例子，科里奥利计对两种液体--水和油-的性能。假设流体具有不同的密度和声音速度。不同的流体特性建议科里奥利计将工作在不同的减小的频率。用于水的减小的频率典型地将比用于油应用的减小的频率低约10％到30％。

认识到这一点，即：虽然它们是不同的，但用于两种应用的声音速度减小的频率仍旧是“小的”，则对精度的影响可能是不重要的。然而，某种程度的不精确性是由在这种应用中不考虑科里奥利计的操作的减小的频率中的差值而引入的。

这里公开的基本概念是在接近环境压力和温度下在水和空气环路中被显示的。实验装配显示于图13。

在这个设施中，水从大的分离器的底部被泵浦通过mag计，它测量水的体积流率。然后，水流过SONARtrac夹带空气计，以便验证水具有可忽略的夹带的空气。然后空气被注入到水中，形成二相混合物。接着用第二SONARtrac计测量夹带的空气的量。已知的水和空气组分的二相混合物然后通过3英寸弯管科里奥利计。所有的上述的计量设备的输出s，其中连同水压力和温度一起被记录。通过使用这个信息，与工作在充气液体中的科里奥利计有关的误差可被确定和被画出作为基于声音速度的参数的函数。在本例中，科里奥利计性能被表征为气体体积分率的函数。质量流量、混合物密度、和观察的混合物密度中的误差被显示于图18。

如图所示，误差确实是显著的。在2％的夹带空气时，科里奥利计过量报告15％的质量流量和欠报告2％的混合物密度。由该计报告的实际的密度，如果被解译为该计中的液体相位的密度，则将有大概4％的误差。

对于本例，质量流量误差通过声音速度夹带空气的基于声音速度的气体体积分率而被参数化。这种参数依赖性由曲线图上显示的公式给出。

质量因子＝0.0147gvf^3-0.0018gvf^2+0.0041gvf+1.0009

这种相关然后被使用来在存在夹带空气的条件下校正科里奥利计质量流量。图19显示数据的时间序列，其中科里奥利计的夹带空气注入的上行流的量以小的增量变化，这样，总的夹带空气的水平的范围从0到2％。如图所示，科里奥利计登记和由于夹带空气造成的质量流量中的显著误差(高达15％)，为了说明，所采用的基于气体体积分率的相关成功地将质量流量误差校正到大概1％以内。

图20显示如这里以前描述的、图2的气体体积分率计100。GVF计100包括被布置在管道14上的传感装置116和处理单元124。传感装置116包括基于应变的传感器或压力传感器118-121的阵列，用于测量由通过流12传播的声波所产生的非稳定压力，以确定声音速度(SOS)。压力信号P₁(t)-P_N(t)被提供到处理单元124，它使得压力信号数字化和计算SOS与GVF参数。电缆113把传感装置116电子地连接到处理单元124。模拟压力传感器信号P₁(t)-P_N(t)典型地是4-20毫安电流环路信号。

压力传感器118-121的阵列包括沿其中传播一过程流112的管道14的外表面122轴向地间隔开的至少两个压力传感器118，119的阵列。压力传感器118-121可通过任何可解开的紧固件，诸如螺栓、螺钉、和夹具，而被夹持在管道上或通常可拆卸地安装到管道上。替换地，传感器可以永久地附着到管道14、与管道14端口连接或集成(例如嵌入)。传感装置116的传感器的阵列可包括大于两个传感器的任何数目的压力传感器，诸如在2与24个传感器之间的3个、4个、8个、16个或N个传感器。通常，当阵列中的传感器数目增加时，测量精度得以改进。由更大数目的传感器提供的精确度被用于计算想要的流的输出参数的复杂性和时间方面的增加而抵销。所以，所使用的传感器的数目至少依赖于想要的精确度和由仪器100提供的输出参数的想要的更新速率。压力传感器118-119测量由通过流传播的声波产生的非稳定压力，它们指示在管道中通过流体流传播的SOS。压力传感器118-121的输出信号(P₁(t)-P_N(t))被提供到前置放大器单元139，它放大由压力传感器118-121生成的信号。处理单元124处理压力测量数据P₁(t)-P_N(t)和确定流12的想要的参数与特性，如前面描述的。

仪器100还设想提供一个或多个声源127，使能测量通过例如声学上的安静流的流传播的声音速度。声源可以是一个设备，例如在管道壁上轻敲或振动。声源可被放置在传感器118-121阵列的输入端或输出端或在这两个端，如图所示。人们应当理解，在大多数实例中，声源不是必需的，以及该仪表无源地检测在流12中提供的声脊(acoustic ridge)，正如此后更详细地描述的。无源噪声包括由泵、阀门、发动机、和湍流混合物本身生成的噪声。

正如此后建议和进一步更详细地描述的，仪器10具有通过测量由通过流12传播的声扰动造成的非稳定压力而测量声音速度(SOS)的能力。知道或估计流的压力和/或温度以及声扰动或波的声音速度后，处理单元124可以确定气体体积分率，诸如在以下的专利申请中描述的：2003年1月23日提交的美国专利申请No.10/349,716(CiDRA档案号No.CC-0579)，2003年2月26日提交的美国专利申请No.10/376,427(CiDRA档案号No.CC-0596)，2004年1月21日提交的美国专利申请No.10/762,410(CiDRA档案号No.CC-0703)，这些专利申请全部在此引用以供参考。

类似于图20的仪器100，实施本发明的仪器200具有沿管道14轴向地被放置在两个位置x1，x2处的至少两个压力传感器118，119的阵列，用于传感处在管道内在它们的各个位置处的、在传感器118，119之间传播的各个随机信号。每个传感器118，119提供指示在每个传感器位置处的、在一系列采样时刻的每个时刻处的非稳定压力的信号。人们将会理解，传感器阵列可包括两个以上的压力传感器，如在位置x₃，x_N处的压力传感器120，121显示的。由声压扰动生成的压力可以通过基于应变的传感器和/或压力传感器118-121被测量。压力传感器118-121把模拟压力时变信号P₁(t)，P₂(t)，P₃(t)，P_N(t)提供到信号处理单元124。处理单元124处理压力信号，首先提供指示通过流12传播的声音速度的输出信号151，155，随后，响应于由通过流12传播的声波生成的压力扰动而提供GVF测量。

处理单元124接收来自传感器118-121的阵列的压力信号。数据捕获单元154对于与通过管道114传播的声波14有关的压力信号P₁(t)-P_N(t)进行数字化。FFT逻辑156计算数字化的基于时间的输入信号P₁(t)-P_N(t)的傅利叶变换，并提供指示输入信号的频率内容的复数频域(或基于频率的)信号P₁(ω)，P₂(ω)，P₃(ω)，P_N(ω)。

数据累积器158累积来自传感器的附加信号P₁(t)-P_N(t)，并且把在采样间隔上累积的数据提供到阵列处理器160，它执行传感器信号的空间-时间(二维)变换，从xt域到k-^ω域，然后计算在k-^ω平面上的功率，正如由k-^ω曲线图代表的，类似于由该对流(convective)阵列处理器146提供的。

为了计算在k-^ω平面上的功率，正如由信号或差分信号的k-^ω曲线(见图22)代表的，阵列处理器160确定波长且因此确定(空间)波数k，以及还有随机参数的各个频谱成分的各个(时间)频率与角频率ω。在公共域中有多个可得到的算法，用来执行传感器单元118-121的阵列的空间/时间分解。

在两个轴方向存在适当的声波的情形下，这样确定的、在图22的k-^ω曲线图上显示的k-^ω平面上的功率将呈现在曲线图的左和右平面上被称为声脊170，172的结构，其中一个声脊170指示沿一个轴方向行进的声音的速度，而另一个声脊172指示沿另一个轴方向行进的声音的速度。声脊代表通过流传播的随机参数的集中度，并且是上述的、在空间变化与时间变化之间的关系式的数学表现形式。这样的曲线图指示k-^ω对或多或少沿具有某个斜率的直线170，172出现的趋势，斜率指示声音速度。

这样确定的、在k-^ω平面上的功率然后被提供到声脊识别器162，它使用一个或另一个特性提取方法来确定在左和右k-^ω平面上存在的任何声脊的位置和取向(斜率)。速度可以通过使用两个声脊170，172之一的斜率，或通过平均声脊170，172的斜率而被确定。

最后，包括声脊取向(斜率)的信息被分析器164使用来确定与测量的声音速度有关的流参数，诸如流的一致性或组合、流的密度、流中粒子的平均尺寸、流的空气/质量比、流的气体体积分率、通过流传播的声音速度、和/或流内的夹带空气的百分数。

阵列处理器160使用标准的所谓的波束成形、阵列处理、或自适应阵列处理算法、即用于通过使用各种延时和加权来创建在由不同的传感器提供的信号之间的适当相位关系，而处理传感器信号的算法，由此创建相控阵天线功能性。换句话说，波束形成或阵列处理算法把来自传感器阵列的时域信号变换成它们的空间和时间频率分量，即变换成由k＝2π/λ给出的一组波数，其中λ是频谱成分的波长，以及由ω＝2πν给出的相应的角频率。

确定通过流12传播的声音速度的一个这样的技术是使用阵列处理技术来规定在k-^ω平面上的声脊，如图22所示。声脊的斜率指示在流12中传播的声音速度。声音速度(SOS)是通过应用声纳阵列处理技术来确定一维声波传播经过沿管道14分布的非稳定压力测量的轴向阵列所用的速度而被确定的。

本发明的仪器200测量传播通过混合物的一维声波的声音速度(SOS)来确定混合物的气体体积分率。众所周知，在诸如声纳和雷达领域那样的领域中声音以不同的速度传播通过各种媒体。传播通过管道和流12的声音的速度可以通过使用诸如在以下专利申请中阐述的、多个已知的技术被确定：1999年6月25日提交的美国专利申请序列号No.09/344,094，现在是US6,354,147；2004年3月4日提交的美国专利申请序列号No.10/795，111；2001年11月28日提交的美国专利申请序列号No.09/997,221，现在是US6,587,798；2001年11月7日提交的美国专利申请序列号No.10/007,749；以及2004年1月21日提交的美国专利申请序列号No.10/762,410，这些专利申请每个都在此引用以供参考。

虽然显示了使用传感器118-121的阵列来测量在混合物中传播的声波声音速度的基于声纳的流量计，但将会看到，任何用于测量声波的声音速度的手段都可被使用来确定混合物/流体的夹带的气体体积分率或以前描述的流的其它特性。

处理单元124的分析器164提供指示与传播通过流12的测量的声音速度(SOS)有关的过程流12的特性的输出信号。例如，为了确定气体体积分率(或相位分率)，分析器164假设对于流12的接近等温的条件。这样，气体体积分率或空隙率通过以下二次方程与声音速度相联系：

Ax²+Bx+C＝0

其中x是声音速度，A＝1+rg/rl*(K_eff/P-1)-K_eff/P，B＝K_eff/P-2+rg/rl；C＝1-K_eff/rl*a_meas^2)；Rg＝气体密度，rl＝液体密度，K_eff＝有效K(液体和管道壁的模)，P＝压力，以及a_meas＝测量的声音速度。

实际上，

气体体积分率(GVF)＝(-B+sqrt(B^2-4＊A＊C)/)(2＊A)

替换地，混合物的声音速度可以通过Wood方程而与组分的体积相位分率(φ_i)和组分的声音速度(a)和密度(ρ)相联系。

$\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}{a}_{{\mathrm{mix}}_{\∞}}^2}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\φ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_i{a}_i^2},$ 这里 ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{\φ}}_i$

在被包含在管道14内的流12内传播的一维压缩波在管道上加上非稳定的内部压力负荷。由于非稳定压力负荷造成的管道位移的程度影响压缩波的传播的速度。在混合物的无穷域声音速度和密度；真空后衬(vacuum-backed)的圆柱导管的弹性模量(E)、厚度(t)、和半径(R)；以及对于一维压缩的有效传播速度(a_eff)之间的关系由以下表达式给出：

$a_{\mathrm{eff}}=\frac{1}{\sqrt{1/a_{{\mathrm{mix}}_{\∞}}^2+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}\frac{2R}{\mathrm{Et}}}}---\left(\mathrm{eq}1\right)$

混合法则实际上阐述混合物的可压缩性(1/(ρa²))是组分的可压缩性的体积加权平均。对于在纸和泵浦工业的典型的压力与温度下的气体/液体混合物12，气相的可压缩性约是比液体的可压缩性更大的量级。因此，气相的可压缩性和液相的密度主要确定混合物声音速度，这样，必须具有对处理压力的良好的估值，以便根据夹带的气体的体积分率来解译混合物声音速度。过程压力对声音速度与夹带的空气体积分率之间的关系的影响显示于图23。

在处理单元24内的某些或所有的功能可以以软件(使用微处理器或计算机)和/或固件被实施，或者可以通过使用具有足够的存储器、接口和能力的模拟和/或数字硬件来实施以执行这里描述的功能。

虽然如图2，20，和21所示的本发明的实施例显示被放置在管道上的压力传感器118-121与科里奥利计分开，但本发明设想，GVF计100可以与科里奥利计集成，由此提供如图24和25所示的单个仪器。正如这些图中显示的，压力传感器118-121可被放置在科里奥利计300，310的管302之一或二者上。

参照图24，提供双管302科里奥利计300，其具有被放置在科里奥利计的管302上的压力传感器118-121，318-320的阵列。在本实施例中，压电材料带条50的阵列被放置在网上且被夹持到管302上作为单一包装。这种结构类似于在2004年3月4日提交的美国专利申请序列号No.10/795,111中描述的，该专利申请在此引用以供参考。类似于这里以前描述的，压力信号被提供到处理单元以计算SOS、GVF和减小的频率中的至少一项。

图25显示把压力传感器118-121集成到科里奥利计310内的、本发明的另一个实施例。与将声纳阵列集成到科里奥利计的现有覆盖区中有关的优点有许多，且包括成本优点、市场推广优点、和潜在的性能优点。

在科里奥利计中采用的流管302有许多并且是变化的。典型地，流被从附着科里奥利计的管道的中心线转移开，然而，也可以引入采用与处理管道一致的直管的科里奥利计。最通用的类型是如图25所示的U管科里奥利计。不管变化的形状如何，科里奥利流管典型地是长的和相对较瘦的、弯曲的或直的。对于弯管科里奥利计，流管典型地具有恒定的且比附着该测量计的管道14减小的截面积，导致通过流管的增加的流体速度。这两个特性使得流管很适合于作为用于低频声波的声波导。

低频声波导涉及到波长显著地大于流管302的直径的波。正如我们将看到的，对于科里奥利计流管，典型地直径为1英寸量级，这种低频定义不是非常严格的。因此，对于输送水的1英寸直径流管，具有显著地低于60,000Hz的频率的声波被认为是低频(1英寸＊(1英尺/12英寸)＊5000英尺/秒)。

对于这些低频波，科里奥利流管302的弯曲对于声的传播速度没有很大的影响。因此，科里奥利流管302很适合于用作为其上部署用来确定混合物的气体体积分率声音速度的传感器阵列的波导。

大多数科里奥利计具有高度调谐的、很好地平衡的流管组。重要的是使得传感器对流管的动态特性的任何影响最小化。对于图25所示的U管，所显示的传感器被部署在该测量计的主体306附近，这里管302或者基本上是悬臂的。通过在这个位置处附着重量轻、基于应变的传感器118-121，流管的动态特性应当基本上不受传感器阵列影响。而且，把两组传感器118，119和120，121放置在末端，允许传感器阵列孔径(aperture)横跨整个流管。如这里描述地装备流管，使得被包含在科里奥利计内的传感器阵列的孔径最大化。在末端附近放置多个传感器，但相对较紧密的间隔开的传感器，导致非均匀的间隔开的阵列。用这样的阵列处理的初始数据指示这个方法将是合适的。

虽然图24和25的集成的科里奥利计300，310是U形的，但本发明设想，该传感器阵列可以同样放置在直管科里奥利计的管中。

对于这里描述的任何实施例，包括电应变仪、光纤和/或特别是如这里描述的格栅的压力传感器可以通过粘合剂、胶、环氧树脂、带子或保证传感器与管道之间适当接触的其它适用的附着手段被附着。传感器替换地可以是经由诸如机械紧固件、装弹簧的、夹持的、蛤壳式装置、搭接或其它等价物那样的已知机械技术来可拆卸地或永久地被附着。替换地，包括光纤和/或格栅的应变仪可被嵌入到复合管道中。如果想要的话，对于某些应用，如果希望，则格栅可以从管道被拆卸(或应变或在声学上与管道隔离)。

任何其它应变传感技术可被使用来测量管道中应变的变化，诸如被附着到或被嵌入到管道中的高度敏感的压电的、电子的或电的应变仪，这也在本发明的范围内。加速度计也可以被使用来测量非稳定压力。另外，可以使用其它压力传感器，正如在许多上述的专利中描述的，这些专利在此引用以供参考。

在另一个实施例中，传感器可包括压膜(piezofilm)或带条(例如，PVDF)，正如在至少一个上述的专利申请中描述的。

虽然例示显示在科里奥利计的管中安装或集成了四个传感器，但本发明设想在该阵列中有任何数目的传感器，正如在至少一个上述的专利申请中教导的。另外，本发明设想传感器阵列可被安装或被集成到具有诸如扭结形状、U形(如图所示)、直管和任何其它曲线形状的科里奥利计的管。

本发明还设想提供允许在阵列中使用更大数目的传感器的拉长的、非振动(振荡)部分。

虽然本发明描述一个传感器阵列用于测量声音通过流传播的速度以用在解译科里奥利力与通过科里奥利计的质量流量之间的关系中，但存在几种其它的方法。

例如，对于有限范围的流体，超声设备可被使用来确定进入的流体的声音速度。应当指出，理论指示，如果过程流体的声音速度在解译中被测量和被使用，则科里奥利计的解译将对于所有流体都得以改进。因此，知道流体的声音速度是5000英尺/秒，正如类似水的物质那样，与1500英尺/秒相比较，正如比如说超临界的乙烯那样，将改进基于科里奥利的流和密度测量的性能。这些测量可以通过使用现有的超声波测量仪来实际地被执行。

确定流体的声音速度的另一个方法是测量流管的声音模式的共振频率。当被安装在流线中时，与从管道到典型地小得多的流管的过渡有关的截面积改变造成声阻抗的很大的改变。由于阻抗的这种改变的结果，流管在某种程度上相当于共振腔。通过跟踪这个腔的共振频率，可以确定占有该腔的流体的声音速度。这可以通过被安装在科里奥利计或安装在被附着到科里奥利计的管道网络的单个压敏设备来执行。

更一般的方面，本发明设想通过使用用于测量流体流的气体体积分率的任何方法或装置来增扩科里奥利计的性能的能力。

在如图20所示的本发明的一个实施例中，每个压力传感器118-121可包括压电薄膜传感器，通过使用这里以前描述的任一项技术来测量流体流12的非稳定压力。

压电薄膜传感器包括压电材料或薄膜，以生成正比于材料被机械变形或受应力的程度的电信号。压电传感元件典型地适应以允许感应应变的、完全或接近完全的环境测量，以便提供周向平均的压力信号。传感器可以从PVDM膜、共聚物膜或挠性PZT传感器形成，类似于在由Measurement Specialisties，Inc.提供的“Piezo Film Sensors TechnicalManual(压膜传感器技术手册)”中描述的，该手册在此引用以供参考。可被使用于本发明的压电薄膜传感器是由Measurement Specialisties，Inc.制造的、零件号1-1002405-0，LDT4-028K。

压电薄膜(“压膜”)，像压电材料那样，是形成正比于机械应力的改变的电荷的动态材料。因此，压电材料测量在管道14内由于处理混合物12内非稳定压力变化(例如声波)而感应的应变。在管道内的应变通过附着的压电传感器而换能成输出电压或电流。压电材料或薄膜可以由诸如极化的含氟聚合物、聚偏氟乙烯(PVDF)那样的聚合物形成。压电薄膜传感器类似于在美国专利申请序列号No.10/712,818(CiDRA档案号No.CC-0675)，美国专利申请序列号No.10/712,833(CiDRA档案号No.CC-0676)，和美国专利申请序列号No.10/795,111(CiDRA档案号No.CC-0732)中描述的传感器，这些专利申请都在此引用以供参考。

本发明的另一个实施例包括诸如管道应变传感器、加速度计、速度传感器或位移传感器那样的、在后面讨论的压力传感器，其被安装在带上以使得压力传感器能够被夹持到管道上。传感器可以是经由诸如机械紧固件、装弹簧的、夹持的、蛤壳式装置、带子或其它等价物那样的已知机械技术来可拆卸地或永久地被附着。这些特定类型的压力传感器可期望用于管道12以呈现一定量的管道柔量。

在沿管道12的轴向位置处，代替单点压力传感器118-121，可以在每个轴向位置处在管道12的周界周围使用两个或多个压力传感器。在给定的轴向位置处、来自周界周围的传感器的信号可被平均以提供截面(或周界)平均的、非稳定的声压测量。也可以使用其它数目的声压传感器和环形间隙。平均多个环形压力传感器便减小了来自扰动和管道振动以及与管道12中的一维声压波无关的其它噪声源的噪声，由此创建压力传感器的空间阵列，帮助表征管道12内的一维声场。

这里描述的图20的压力传感器118-121可以是任何类型的、能够测量管道14内非稳定的(或ac或动态的)压力的压力传感器，诸如压电、光的、电容性的、电阻性的(例如惠斯顿电桥)、加速度计(或地音探听器)、速度测量装置、位移测量装置等等。如果使用光的压力传感器，传感器118-121可以是基于布拉格光栅的压力传感器，诸如在1997年9月8日提交的、题目为“High Sensitivity Fiber Optic Pressure Sensor forUse in Hash Environments(用于Hash环境中的高灵敏度光纤压力传感器)”的美国专利申请序列号No.08/925,598，现在是US专利6,016,702，和题目为“Non-Intrusive Fiber Optic Pressure Sensor for MeasuringUnsteady Pressure within a Pipe(测量管道中的非稳定压力的非侵入式光纤压力传感器)”的美国专利申请序列号No.10/224,821中描述的传感器，它们被在此引用以供参考。在利用光纤作为压力传感器14的本发明的实施例中，它们可以单独地连接或可以通过使用波分复用(WDM)、时分复用(TDM)或任何其它光复用技术技术沿一条或多条光纤被复接在一起。

在本发明的某些实施例中，压电电子(piezo-electronic)压力换能器可被用作为一个或多个压力传感器115-118，它可以通过测量管内的压力水平而测量管道或管14内非稳定的(或动态或ac)压力变化。这些传感器可以在管道内端口对接，使得与混合物12直接接触。在本发明的实施例中，传感器14包括由PCB Piezotronics制造的压力传感器。在一个压力传感器中有集成电路压电电压模式-型传感器，其特征为内建的微电子放大器，并且它把高阻抗电荷变换成低阻抗电压输出。具体地，使用由PCB Piezotronics制造的Model 106B，它是高灵敏度、加速度补偿的集成电路压电石英压力传感器，适合于测量液压和气动系统中的低压力声学现象。它具有测量在高静态条件下小于0.001psi的小的压力改变的独特的能力。106B具有300mV/psi灵敏度和91dB(0.0001psi)的分辨率。

压力传感器并入一个内建的MOSFET微电子放大器来把高阻抗电荷输出变换成低阻抗电压信号。传感器由恒流源供电，并且可在长的同轴或带状电缆上工作而没有信号降级。低阻抗电压信号不受摩擦电的电缆噪声或绝缘电阻-降级污染影响。用来使集成电路压电传感器运行的电源通常取低成本、24到27伏、2到20毫安恒流源的形式。本发明的数据捕获系统可以并入恒流源，用于给集成电路压电传感器直接供电。

大多数压电压力传感器由被预先装载在刚性外壳中的压缩模式石英晶体，或无约束的电气石晶体构成。这些设计给传感器以微秒响应时间和几百kHz的共振频率，具有最小的过冲或阻尼振荡。小的振膜直径保证窄冲击波的空间分辨率。

压电压力传感器系统的输出特性是AC-耦合的系统的输出特性，其中重复的信号衰变，直至在原先的基线以上和以下有相等的面积为止。当监视的事件的幅度水平起伏时，输出保持围绕基线而稳定化的，使曲线的正的和负的面积保持相等。

任何应变传感技术可被使用来测量管道中应变的变化，诸如被附着到管道12的高灵敏度压电、电子或电的、应变仪和压阻应变仪，这也是在本发明的范围内。其它应变仪包括具有跑道配置的电阻性箔型仪，类似于在1999年6月25日提交的、美国专利申请序列号No.09/344,094，现在是US6,354,147中公开的传感器，这个专利申请在此引用以供参考。本发明还设想被布置在管道12的周界的预定部分附近的的应变仪。应变传感器的轴向放置和在应变传感器之间的分开距离ΔX₁，ΔX₂如上所述地被确定。

任何其它应变传感技术可被使用来测量管中应变的变化，诸如被附着到或被嵌入在管14中的高灵敏度压电、电子或电的应变仪，这也是在本发明的范围内。

虽然描述了多个传感器，但将会看到，用来测量通过流体传播的声音的速度的任何传感器可被使用于本发明，包括超声传感器。

这里描述的任何实施例的尺度和/或几何结构仅仅用于说明的目的，这样，从这里的教导看来，如果想要的话，可以根据应用、尺寸、性能、制造要求、或其它因素，使用任何其它尺度和/或几何结构。

应当看到，除非另外叙述，关于这里的特定实施例描述的任何特性、特征、替换例或修正方案也可被应用于、使用于或与这里描述的任何其它实施例合并。而且，这里的附图也不是按比例画的。

虽然本发明是对于其示例性实施例描述和显示的，但可以在不背离本发明的精神和范围的条件下在其中和对其作出上述的和各种其它添加和省略。

Claims (8)

1.一种用于测量在管道中流动的充气流的参数的流测量系统，所述参数包括以下参数的其中任何一个或多个：气体体积分率、声音通过流体流传播的速度、未补偿的密度、补偿的密度、合成、质量流，该测量系统包括：

科里奥利计，其具有至少一个其中有流体流过的管，该科里奥利计提供指示管的固有频率的频率信号和/或指示在一对管之间的相位差的相位信号；

流测量设备，其直接测量声音通过该充气流传播的速度，该测量设备提供以下中的至少一项：指示声音通过流体传播的速度的SOS信号、指示流体的气体体积分率的GVF信号、和指示流体的减小的频率的减小频率信号；以及

处理单元，其根据SOS信号、GVF信号和减小频率信号中的至少一项以及该相位信号，利用所得出的质量流校准模型来计算指示流体中的非气体部分的质量流的质量流率测量，和/或根据所述SOS信号、所述GVF信号、所述减小频率信号与指示所述至少一个管的固有频率的频率信号，利用所得出的密度校准/参数模型来计算指示流体中的非气体部分的密度的密度测量。

2.权利要求1的测量系统，其中声音速度测量被使用来确定在流体的流中的气体体积分率(GVF)。

3.权利要求1的测量系统，其中科里奥利计包括至少一个管，其具有被安排在其上的、用于对在其中流动的流体执行声音速度测量的传感器阵列。

4.权利要求3的测量系统，其中传感器阵列包括基于应变的传感器。

5.权利要求1的测量系统，其中科里奥利计包括一个管，其具有被安排在其上的、用于对在其中流动的流体执行声音速度测量的声音速度传感设备。

6.权利要求1的测量系统，其中科里奥利计包括被安排在管道上的、用于对在其中流动的流体执行声音速度测量的声音速度传感设备。

7.权利要求1的测量系统，其中科里奥利计的管是弯曲的或直的。

8.权利要求1的测量系统，其中处理单元根据所述SOS信号和补偿的密度测量来确定指示流体的非气体部分的密度的合成信号。

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