CN101069069B - 利用密度信息测量流体压力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量流经科里奥利流量计的物料密度的方法和装置。所述密度用来推断流动物料的压力。推断的压力可以用来修正在科里奥利流量计中的第二压力效应或者报告给外部装置。

Description

利用密度信息测量流体压力的方法和装置

技术领域

本发明涉及流体计领域，特别地是涉及科里奥利流量计。

背景技术

科里奥利流量计通过感测振动管道里的科里奥利力来测量质量流量。所述管道包括一个或多个歧管，并被驱动以谐振频率进行振动。所述歧管的谐振频率与流管里的流体的密度成比例。位于歧管入口和出口处的传感器测量歧管端部之间的相应振动。在流动期间，振动歧管和流动质量由于科里奥利力偶联在一起，在歧管的端部之间的振动产生一个相位移动，所述相位移动与质量流量成正比。

存在影响科里奥利传感器的流管的第二压力。压力的变化，质量流量不变，将改变在歧管上的弯曲压力的影响。当压力增加时，流管将变硬，由于不变质量流量的同样大小的科里奥利压力，将会使歧管产生微小的弯曲。当压力减小时，流管将变柔软，由于不变质量流量的同样大小的科里奥利压力，将会使歧管产生较大的弯曲。所述流动压力效应是线性的，代表性地表示了压力的每单位变化的流速的百分比。修正压力效应需要使用平均压力值或者测量实际压力。当在所述系统中操作压力存在较大的变化时，使用平均压力值会引起不能接受的误差，测量实际压力一般地需要压力感应端口，压力传感器，设计用来监视所述压力传感器的电子线路，和传输测得的压力到科里奥利流量计的一些装置。

因此需要一种更好的系统和方法来测量科里奥利流量计中的压力。

日本专利JP7083721，名称是“振动类型的测量装置”，公开了下述内容。所述装置由在其中流过流体的传感器管2和3，振动所述传感器管2和3的振动器5和6，和连接到振动器5和6激励线圈上的控制器14组成。所述控制器14由时间差分检波电路17，流苏计算部分18，显示部分19频率测量电路20，密度计算部分21，密度-压力转换电路22和压力修正电路23组成。所述密度计算部分21确定流体的密度从传感器管2和3的振动频率来测量，流体的压力从它们的密度来测量。然后，所述压力修正电路23基于密度-压力转换电路22的压力值，从流量计算部分18的测得的流速值，执行零点修正。

美国专利US5497665，名称是“具有可调压力和密度敏感度的科里奥利质量流量计”，公开了下述内容。介绍了几种对压力或密度变化敏感得放射型科里奥利质量流量计得几何构造和电子电路。在一个实施例中，所述流量计包括：(1)容纳具有一定物理特性流体的流动导管，所述流体适合以未知的速度在导管中流动，(2)在流动导管里产生振动的驱动电路，所述流体作为物理特性和流速的参数来改变所述振动，(3)在工作点测量所述改变的振动的探测电路，产生一个代表流体的未补偿质量流速的信号和(4)计算流体的补偿了的质量流量的计算电路，所述补偿了的质量流量以1/OMEGA.1.sup.n与所述未补偿流速成比例，其中.OMEGA.1是流动导管的驱动固有频率，n是选取作为工作点参数的数字，所述补偿了的流速因此去除了物理特性的影响。还公开了一种特别的数学算法，在保持对压力或者密度不敏感的同时，允许大范围的多种设计几何机构，而不需要为它们进行测量或补偿。另外，还介绍了一种可以精确测量和补偿压力和密度的方法。

美国专利US5734112，名称是“测量科里奥利质量流量计中压力的方法和装置”，公开了下述内容。在工作中的科里奥利效应质量流量计中测量压力的方法。所述科里奥利流量计的流动导管以弯曲模式(在测量质量流量中是常见的)和扭曲模式进行振动。流动导管在两种振动模式下的固有频率的比率与流动导管里的压力成比例。在优选实施例中，一种和/差方法最初分离表示所述两种振动模式的固有频率的重叠正弦波。然后用快速共轭梯度(FCG)数字滤波器快速估算两种振动模式的固有频率。估算的频率随后用于包括数字陷波滤波器和带通滤波器以及递推最大拟然法(RML)数字滤波器技术的的滤波器链，以提高弯曲模式和扭曲模式的固有频率的估算。所述提高了的弯曲模式和扭曲模式的固有频率的估算被用来确定流动导管里的压力，作为两个频率的比率的参数，以及定位陷波滤波器和带通滤波器链的中心，以为质量流量计算提高两个振动传感器通道的弯曲模式频率。这样确定的压力然后用于修正质量流量计算或者为其它的压力测量用途。

发明内容

公开一种方法和装置，测量流经科里奥利流量计的物料的密度。所述密度用来推断流动物料的压力。推断的压力可以用来修正在科里奥利流量计中的第二压力效应，或者报告给外部装置。

发明的几个方面

本发明的一个方面包括，一种方法，包括：

测量流经科里奥利流量计的物料的密度；

从测得的密度确定流动物料的压力。

其特征是下列步骤：

(a)在等式

中将压缩性z值设为1，并计算压力P的值，其中T是温度，M是流在科里奥利流量计中的物料的摩尔量，ρ是密度，R是常数。

(b)利用压力P的计算值为压缩性z确定一个更精确的值；

(c)利用新的更精确的压缩性z的值来重新为压力P计算一个值；

(d)重复步骤b和c，直到压力的值收敛到预定的范围里。

优选地，所述方法进一步包括，利用美国天然气协会(AGA)第8号报告的信息来确定所述压缩性。

优选地，所述方法进一步包括，提示使用者输入流经流量计的物料的摩尔量(M)。

优选地，所述方法进一步包括，提示使用者输入天然气类型，科里奥利流量计从天然气类型确定流经流量计的物料的摩尔量(M)。

优选地，一种被配置来执行方法的科里奥利流量计，包括：

导管，容纳流动的物料；

至少一个驱动装置，振动所述导管；

测量振动导管的活动的第一和第二传感器；

基于振动导管的活动确定流动物料的密度的处理器；

所述处理器设置为基于测定的密度通过执行步骤(a)-(d)来确定流动物料的压力。

优选地，所述方法进一步包括：

将测定的流动压力传送到外部设备。

本发明的另外一个方面包括：

(a)在低的压力点为物料校准科里奥利流量计的密度和压力关系；

(b)在高的压力点为所述物料校准科里奥利流量计的密度和压力关系；

(c)为所述物料保存所述两个校准的关系；

(d)基于测得的当前密度和所述两个保存的校准关系来为所述物料测定当前的压力，特征是下面的步骤：

(e)为高的和低的压力点测定压缩性Z；

(f)为高的和低的压力点确定平均摩尔量M；

(g)使用等式

确定“最后压力估算值P”，其中T是温度，M是流在科里奥利流量计中的物料的摩尔量，ρ是密度，R是常数；

(h)利用“最后压力估算值P”确定新的压缩性Z；

(i)计算“新压力估算值”；

(j)重复步骤(g)-(i)，直到“新压力估算值”收敛到预定的范围内。

本发明的另外一个方面包括一种执行所述方法的科里奥利流量计，包括：

容纳流动物料的导管；

至少一个驱动装置，振动所述导管；

测量振动导管的活动的第一和第二传感器；

基于振动导管的活动确定流动物料的密度的处理器；

所述处理器设置为基于所述确定的密度通过执行步骤(a)-(j)来确定流动物料的压力。

特别地，所述方法进一步包括：

在两个不同压力点为流动物料保存压力和密度关系的存储区，其中，在所述两个压力点，利用流动物料的密度和所述压力和密度关系来确定流动物料的压力。

附图说明

附图1是一个数据表，示出了多种不同的气体在华氏70度时，在14磅/平方英寸(9.84克力每平方毫米)到1464磅/平方英寸(1029.3克力每平方毫米)的不同压力下的气体压缩性。

附图2是一幅曲线图，示出了附图1中数据表的信息。

附图3是一幅曲线图，示出了从14磅/平方英寸(9.84克力每平方毫米)到1464磅/平方英寸(1029.3克力每平方毫米)的压力范围里，墨西哥湾岸区天然气成分的理论线性压缩性和实际的压缩性的压力与压缩性之间的关系。

附图4是一个数据表，示出了在14磅/平方英寸(9.84克力每平方毫米)到1464磅/平方英寸(1029.3克力每平方毫米)的压力范围里，多种其它气体的理论线性压缩性和实际压缩性之间的最大差。

附图5是根据本发明的一个实施例的科里奥利流量计的方框图。

附图6是根据本发明的一个实施例反复从流体密度测量流体压力的流程图。

附图7是一幅流程图，示出了根据本发明的一个实施例在两个压力点校准流量计的方法。

附图8是一幅曲线图，示出了在314磅/平方英寸(220.8克力每平方毫米)(9.84克力每平方毫米)到1014磅/平方英寸(712.9克力每平方毫米)的压力范围里，Ekofish的密度/压力关系。

附图9是根据本发明的一个实施例利用高的和低的压力校准点测量流体流体压力，调整温度的流程图。

具体实施方式

附图1-9和下面的说明描述具体的例子，以教会本领域的技术人员如何使用本发明的最优模式。为了教授发明原则的目的，简化或删除了一些传统的方面。本领域的技术人员从这些例子里获得的一些变型也落在本发明的范围内。本领域的技术人员将会知道下面描述的特征可以以各种不同的方式合并到本发明的多种变型里。因此本发明并不局限于下面描述的专门例子，而只限于权利要求书和它们的等同技术方案。

气体的流动密度有非理想气体定律来表示，公式是：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{PM}}{\mathrm{ZRT}}---\left(1\right)$

其中ρ是流动气体的密度，P是流动气体的压力，M是气体的摩尔量，Z是气体的压缩性，R是气体常数，T是流动气体的温度，在很多情况下，流经科里奥利流量计的气体的温度和摩尔量是保持相对固定的。在流动气体的温度范围较宽时，可以测量流动气体的温度。当所述流动温度和摩尔量视为常数时，等式1可以再写成：

$\mathrm{\ρ}=N\frac{P}{Z}---\left(2\right)$

其中ρ是流动气体的密度，P是流动气体的压力，N是一个常数，Z是所述气体的压缩性。等式2示出了流动密度的变化主要受流体压力和压缩性的影响。等式2还示出了流动密度与流动压力成正比，除去压缩性的影响。在大部分的气体测量应用中，流体压力的范围从标准大气压(大约14磅/平方英寸(9.84克力每平方毫米))到1464磅/平方英寸(1029.3克力每平方毫米)，大约105比1的变化。附图1是多种不同的气体在恒定华氏70度时，在14磅/平方英寸(9.84克力每平方毫米)到1464磅/平方英寸(1029.3克力每平方毫米)的不同压力下的气体压缩性数据表。这些气体的压缩性在现有技术中已知，获得这些信息的一个来源是美国天然气协会(AGA)第8号报告“天然气和相关烃类气体的压缩系数”(1994年第二版)，这里作为参考引入进来。附图2是一幅曲线图，示出了附图1中数据表的信息。从附图1和2中可以看出，压缩性在14磅/平方英寸(9.84克力每平方毫米)到1464磅/平方英寸(1029.3克力每平方毫米)的范围内具有最大约1.3∶1的差异。

附图3是一幅曲线图，示出了从14磅/平方英寸(9.84克力每平方毫米)到1464磅/平方英寸(1029.3克力每平方毫米)的压力范围里，墨西哥湾岸区天然气成分的理论线性压缩性和实际的压缩性的压力与压缩性之间的关系。从附图3中可以看出，这种天然气成分的在压缩性和压力之间的理论线性变化和实际变化之间的差异是很小的。附图4是一个数据表，示出了多种其它气体的理论线性压缩性和实际压缩性之间的最大差。附图4表明在14磅/平方英寸(9.84克力每平方毫米)到1464磅/平方英寸(1029.3克力每平方毫米)的压力范围里，在很宽范围的气体组分的中，存在几乎线性的压缩性和压力之间的关系。等式2说明在压力和密度之间具有线性关系。由于这些线性和几乎线性的关系，一个相关的方法可以用来流动密度等同压力。

附图5是科里奥利流量计的方框图。科里奥利流量计包括具有一个或多个管道的管道502，被配置用来容纳流动物料。配置有一个或多个驱动器504，以管道的固有弯曲振动频率振动所述管道。传感器506配置来测量振动管道502的运动。控制器508连接到驱动器504和传感器506上，控制科里奥利流量计的操作。控制器508可以是一个独立单元或者也可以分布成多个单元。例如，可以有一些电子仪器附接到科里奥利流量计上，这些电子仪器可以与外部电脑相连，这些电脑运行软件来帮助控制所述流量计。操作中，流动物料在振动管道里产生科里奥利压力，在管道的两端之间的振动中产生一个相位移动。传感器测量管道两个位置之间的相位移动，控制器从所述测得的相位差来确定物料的流动速度。所述科里奥利流量计可以具有内嵌测温探头(未示出)，或者可以从外部传感器接收温度数据。科里奥利流量计还能够利用测得的管道的活动来确定流动物料的密度。

在本发明的一个典型实施例中，流动物料的密度用来推断所述物料的流体压力。附图6是反复从流动密度测量流体压力的流程图。在步骤602，流经科里奥利流量计的物料的密度是利用测得的振动管道的活动来确定的。测定科里奥利流量计中流动物料的密度的方法在现有技术中已经知道。在步骤604，气体的压缩性z在下面公式中被设为1：

$p=\frac{\mathrm{\ρ}*1545*T*z}{144*M}---\left(3\right)$

其中P是流体压力，T是温度，M是流动在科里奥利流量计中的物料的摩尔量，第一压力被计算。在步骤步骤606，利用计算的压力P确定一个更好的z的值。在给定压力P下的气体压缩性z的值可以利用AGA第8号报告，压缩性查阅表，压缩性状态方程式，或其他类似来源中的信息来确定。在步骤608，利用新的压缩性z来重新计算压力。如果在步骤608中确定的压力值没有收敛到预定的阈值范围内，返回步骤606，其中气体压缩性更好的估算是利用最后计算的压力P的值来确定。当在步骤608中确定的压力值收敛到预定的阈值范围内，所述压力已经成功地从所述流动密度中推断出来。所述推断的压力可以利用在多种方式中。

在本发明的一个典型实施例中，所述压力可以被显示或传输到科里奥利流量计以外的装置上。例如，所述压力值可以发送到安全装置上，所述安全装置监视管道内的压力以发现不安全的压力状况。在本发明的另一个典型实施例中，所述压力值可以用来修正在科里奥利流量计的质量流量测量中的压力效应。所述压力效应典型地指明了压力的每一单位变化时，流量的百分比。修正所述压力效应的一个方法是使用等式4：

$M_{\mathrm{corrected}}=\frac{M_{\mathrm{raw}}}{1+(\left(\frac{P_e}{100}\right)*(P_{\mathrm{static}}-P_{\mathrm{cal}}))}---\left(4\right)$

其中M_corrected是修正的质量流量，M_raw是测得原始质量流量，P_e是压力效应，P_static是流体压力，P_cal是压力，流量是现在计算的，P_e典型地是科里奥利流量计的几何功能，例如，是管道的直径，管道壁的厚度，管道的刚性，等等。等式4示出了当在流量计中的压力等于流量计校准的压力，修正的流量等于原始的流量。当流体压力高于校准的压力时，修正的流量将小于测得的流量。

当科里奥利流量计利用测得的密度推断流体压力时，就需要流经流量计的物料的摩尔量和温度。所述温度可以使用流量计中的传感器测量，或者由外部温度传感器提供。所述气体的摩尔量可以由使用者输入或者从远端源提供。当使用者输入所述物料的摩尔量，他们可以直接通过打一个值直接输入，或者他们可以通过用名字或气体组分识别流动物料间接输入，所述科里奥利流量计可以使用查阅表来确定物料相对应的摩尔量。

在本发明的另一个典型实施例中，测得的流动物料的密度通过使用在高压力点和在低压力点的校准的压力/密度关系被用来确定气流压力。由于压力/密度关系是几乎线性的，一旦所述流量计在两个不同压力点被校准，所述压力可以从当前密度不经过迭代就推定。在校准进程中，流量计里的压力必须被精确地测量。附图7是一幅流程图，示出了在两个压力点校准流量计的方法。在步骤702，在流量计中的物料被加压到第一级。在步骤704，使用流量计在第一压力下测量物料的密度。在步骤706，在流量计中的物料被加压到第二级。在步骤708，在第二压力下测量物料的密度。校准流量计的时候，所述物料可以流经所述流量计或者可以停留在所述流量计里。所述流量计可以为每种类型的物料流经科里奥利流量计进行校准。在本发明的一个典型实施例中，不同类型物料的高的和低的校准点可以保存在一个表中，可以用所述流量计来测量。当前流经所述流量计的物料类型进入到流量计的时候，所述流量计将查找校准点来确定物料的类型。

一旦流量计已经为一种物料进行了校准，所述物料的压力可以利用等式5从所述密度中被确定。

$p_{\mathrm{dteer}\min \mathrm{ed}}=P_{\mathrm{low}}+\left[\frac{({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{current}}-{\mathrm{\ρ}}_{\log })*(P_{\mathrm{high}}-P_{\mathrm{low}})}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{high}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{low}}}\right]---\left(5\right)$

其中p_determined是测定的压力，P_low是低压力校准点的压力，P_high是高压力校准点的压力，ρ_low是在低压力校准点测得的密度，ρ_high是在高压力校准点测得的密度，ρ_current是当前测得的流经流量计的物料的密度，附图8是一幅曲线图，示出了在314磅/平方英寸(220.8克力每平方毫米)与1014磅/平方英寸(712.9克力每平方毫米)的压力范围里，Ekofish的密度/压力关系。从附图8中可以看出，线性线和实际的曲线之间的吻合非常紧密。

在本发明的另外一个典型实施例中，所述高的和低的压力校准信息可以考虑流动物料的温度的变化进行调整。附图9是利用高的和低的压力校准点测量流体流体压力，调整温度的流程图。在步骤902，在每个高的和低的压力校准点测定压缩性，所述压缩性可以利用任何在AGA第8号报告披露的三种方法(AGA粗略方法1，方法2，或细致方法)，压缩性查表，压缩性状态方程式，或其他类似方法来确定。在步骤904，确定高的和低的压力校准点的平均摩尔量。改写等式1以求出赋给的摩尔量：

$M=\frac{\mathrm{\ρZRT}}{P}---\left(6\right)$

其中M是所述物料的摩尔量，P是在低的和高的压力校准点测得的压力，Z是在步骤902确定的压缩性，T是在高的和低的校准点测得的温度，ρ是在高的和低的压力校准点测得的密度，R是个常数。高的压力校准点的摩尔量与低的压力校准点的摩尔量相平均，给出一个平均摩尔量。在步骤906，利用等式5确定一个当前压力P，存为“最后压力估算值”。在步骤908，利用“最后压力估算值”，当前的压力，所述物料的平均摩尔量，和当前的密度，确定一个新的压缩性值z，。在步骤910，用步骤908确定的压缩性，步骤904确定的平均摩尔量，当前的密度和当前的温度，由等式3计算出一个“新压力估算值”。在步骤912，所述“新压力估算值”用下面的不等式进行评价：

绝对值(“新压力估算值”-“最后压力估算值”)＜＝1   (7)

当不等式成立时，“新压力估算值”设置为当前的压力。当不等式不成立时，“新压力估算值”存为“最后压力估算值”并转到步骤906。利用这种迭代方法，当利用高的和低的压力校准点测定压力的时候，流动物料中的温度的变化的影响就可以考虑在内。

Claims (10)

1.一种确定气体压力的方法，包括：

用科里奥利流量计测量气体的密度(602)；

从测得的密度确定气体的压力；

其特征在于下面的步骤：

a、在等式

中将压缩性z值设为1，并计算压力P的值(604)，其中T是温度，M是流在科里奥利流量计中的气体的摩尔量，p是密度，R是常数。

b、利用压力P的计算值为压缩性z确定一个更精确的值(606)；

c、利用新的更精确的压缩性z的值来重新为压力P计算一个值(608)；

d、重复步骤b和c，直到压力的值收敛到预定的范围里。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

在步骤b中，利用压缩性状态方程式或美国天然气协会第8号报告的信息，包括压缩性查阅表，确定所述压缩性。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

提示使用者输入气体的摩尔量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

提示使用者输入天然气类型，科里奥利流量计从天然气类型确定气体的摩尔量。

5.一种配置来执行权利要求1所述方法的科里奥利流量计，包括：

管道(502)，容纳气体；

至少一个驱动装置(504)，振动所述管道；

测量振动管道的活动的第一和第二传感器(506)；

基于振动管道的活动确定气体的密度的处理器(508)；

所述处理器设置为基于确定的密度通过执行步骤a-d来确定气体的压力。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

将确定的流动压力传送到外部设备。

7.一种确定气体压力的方法，包括：

a、在低的压力点，用科里奥利流量计校准气体的密度和压力关系，包括：

将气体加压至低的压力点；以及

在低的压力点，用科里奥利流量计测量气体的第一密度；

b、在高的压力点，用科里奥利流量计校准所述气体的密度和压力关系，包括：

将气体加压至高的压力点；以及

在高的压力点，用科里奥利流量计测量气体的高压密度，其中气体至少部分是压缩的；

c、为所述气体保存所述两个校准的关系；

d、基于测得的当前密度和所述两个保存的校准关系来为所述气体确定当前压力；

e、用当前压力、当前温度、平均摩尔量以及测量的当前密度，确定新的压缩性值；以及

f.用所述新的压缩性值、当前温度、平均摩尔量以及测量的当前密度，计算新的压力估算值，其中该新的压力估算值考虑了气体的当前温度。

8.根据权利要求7所述的方法，其中计算新的压力估算值的步骤f包括下述步骤：

a1、确定用于高的和低的压力点的压缩性Z(902)；

b1、确定用于高的和低的压力点的平均摩尔量；

c1、确定“最后压力估算值”；

d1、利用“最后压力估算值”确定新的压缩性；

e1、计算“新的压力估算值”(910)；

f1、重复步骤c1-f1，直到“新的压力估算值”收敛到预定的范围内。

9.一种配置来执行权利要求7所述方法的科里奥利流量计，包括：

管道(502)，容纳气体；

至少一个驱动装置(504)，振动所述管道；

测量振动管道的活动的第一和第二传感器(506)；

基于振动管道的活动确定气体的密度的处理器(508)；

所述处理器设置为基于所述确定的密度通过执行步骤a-f来确定气体的压力。

10.根据权利要求9所述的科里奥利流量计，进一步包括：

在两个不同压力点为气体含有压力和密度关系的存储区，其中，在所述两个压力点，利用气体的密度和所述压力和密度关系来确定气体的压力。

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