CN101334305A - 用于科里奥利流量计的诊断设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于科里奥利流量计的诊断设备和方法。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式计算流量计的流速的系统。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统包括对于多个理想模式校准所述流量计的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统包括确定与各个理想模式相关的流过所述流量计的物质的密度的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统进一步包括对于各个理想模式确定流速对密度的影响的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统包括基于各个理想模式的密度和流速对密度值的影响来计算流速的装置。

Description

用于科里奥利流量计的诊断设备和方法

本发明申请是申请日为2003年9月29日、申请号为03827137.0的同名专利申请的一个分案申请。

技术领域

本发明涉及用于科里奥利流量计的诊断设备和方法。

背景技术

正如1985年1月1日颁发给J.E.Smith等人的美国专利No.4,491,025和1982年2月11日颁发给J.E.Smith的Re.31,450中所公开的，已知的是使用科里奥利质量流量计来测量流过管道的物质的质量流量和其它信息。这些流量计具有不同结构的一个或多个流管。每个导管结构可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、径向和耦合的模式。在典型的科里奥利质量流量测量应用中，当物质流过导管时，以一种或多种振动模式来激励导管结构，并且在沿所述导管隔开的点处测量所述导管的运动。

物质填充系统的振动模式由所述流管以及所述流管内的物质的组合质量来部分地限定。物质从所述流量计的入口侧上连接的管道流入所述流量计。然后，所述物质被引导穿过所述一个流管或多个流管，并且离开所述流量计至在出口侧上连接的管道。

驱动器向所述流管施加力。所述力使流管振荡。当没有物质流过所述流量计时，沿流管的所有点以相同的相位振荡。当物质开始流过所述流管时，科里奥利加速度引起沿所述流管的各个点相对于沿所述流管的其它点具有不同的相位。在所述流管的入口侧的相位滞后于所述驱动器，而在出口侧的相位超前于所述驱动器。传感器被放置在所述流管上的不同点处以产生正弦信号，所述正弦信号表示在不同点处所述流管的运动。计算在单位时间内从所述传感器接收到的信号的相位差。

在所述传感器信号之间的相位差与流过所述一个流管或多个流管的物质的质量流速成比例。所述物质的质量流速是通过将相位差乘以流量校准因子来确定的。所述流量校准因子是由校准过程确定的。在所述校准过程中，已知的流体以给定的流速通过所述流管，并且计算出在相位差与所述流速之间的比例。

科里奥利流量计的一个优点是在振动的流管中没有活动部件。所述流速是通过将流管上两点间的相位差与流量校准因子相乘来确定的。所述相位差是根据从所述传感器接收到的正弦信号来计算的，所述正弦信号指示流管上的两点的振荡。所述流量校准因子与所述流管的材料和横截面特性成比例。因此，所述相位差的测量和所述流量校准因子不受流量计中活动部件的磨损的影响。

然而，问题在于流管的材料特性、横截面特性和硬度在科里奥利流量计的工作期间可以改变。所述流管的材料特性、横截面特性和硬度的改变可以由流过流管的物质对所述流管的侵蚀、腐蚀和涂敷、改变管道安装和温度来引起。所述流管的横截面特性改变的一个例子是由所述流管的腐蚀引起的转动惯量的改变。所述流管的材料和横截面特性改变的第二个例子是由流过所述管的物质对所述流管的涂敷引起的流管质量的增加和横截面积的减少。所述流管的材料特性、横截面特性和硬度的改变可以改变所述流量计的流量和密度校准因子。如果所述流量计的流量校准因子发生了改变，则使用原始流量校准因子所计算的流速是不准确的。因此，在现有技术中需要一种系统，其检测所述流管的材料特性、横截面特性和硬度的可能的改变，所述改变指示由科里奥利流量计所测量的质量流速可能是不准确的。

发明内容

通过提供一种系统来解决上述以及其它问题并实现现有技术的进步，所述系统通过确定和比较包括质量流量和密度的各种参数来验证(validate)科里奥利流量计的完整性。例如，正如1997年11月11日Buttler等人的美国专利No.5,687,100所公开的，基于质量流量对频率的影响来确定质量流量和密度。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式计算流量计的流速的方法。所述使用多种模式计算流量计的流速的方法包括对于多个理想(desired)模式校准所述流量计。所述使用多种模式计算流量计的流速的方法包含确定与各个模式相关的流过所述流量计的物质的密度。所述使用多种模式计算流量计的流速的方法进一步包含对于各个理想模式确定流速对密度的影响。所述使用多种模式计算流量计的流速的方法进一步包含基于各个理想模式的所述密度和流速对密度值的影响来计算流速。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的方法。所述使用多种模式验证流量计的方法包括确定与各个理想模式相关的流速。所述使用多种模式验证流量计的方法包含比较所述流速以及响应于所述比较来检测错误状态。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的方法。所述使用多种模式验证流量计的方法包括确定与各个理想模式相关的物质的密度。所述使用多种模式验证流量计的方法包含比较与各个模式相关的所述密度值以及响应于所述比较来检测错误状态。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的方法。所述使用多种模式验证流量计的方法包括对于多个理想模式校准所述流量计。所述使用多种模式验证流量计的方法包含确定与各个模式相关的流过所述流量计的物质的密度。所述使用多种模式验证流量计的方法进一步包含对于各个理想模式确定流速对密度的影响。所述使用多种模式验证流量计的方法进一步包含根据各个理想模式的所述密度和流速对密度值的影响来计算各个理想模式的流速。所述使用多种模式验证流量计的方法进一步包含比较所述流速以及响应于所述比较来检测错误状态。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的方法。所述方法包括对于多个理想模式校准所述流量计。在校准后，对于各个理想模式确定流速对密度的影响。知道了各个理想模式的流速对密度值的影响，于是可以计算各个理想模式的流速补偿密度。然后对密度值进行比较，并且响应于所述比较来检测错误状态。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式确定物质流的温度的方法。所述方法包括对于多个理想模式校准所述流量计以查明(ascertain)校准常数。在校准后，对于各个理想模式计算管周期。使用各个模式的所述校准常数和管周期，可以确定所述物质流的温度。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式计算流量计的流速的系统。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统包括对于多个理想模式校准所述流量计的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统包含确定与各个模式相关的流过所述流量计的物质的密度的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统进一步包含对于各个理想模式确定流速对密度的影响的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统进一步包含基于各个理想模式的所述密度和流速对密度值的影响来计算流速的装置。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的系统。所述使用多种模式验证流量计的系统包括确定与各个理想模式相关的流速的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包括比较对于各个模式所确定的流速的装置以及响应于比较与各个理想模式相关的密度值来检测错误状态的装置。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的系统。所述使用多种模式验证流量计的系统包括确定与各个理想模式相关的物质流的密度的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统包含比较所述密度值的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包含响应于比较的密度值来检测错误状态的装置。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的系统。所述使用多种模式验证流量计的系统包括对于多个理想模式校准流量计的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包括确定与各个模式相关的流过所述流量计的物质的密度的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包括对于各个理想模式确定流速对密度的影响的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包括对于各个理想模式计算流速的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包括比较所述流速的装置以及响应于所比较的流速值来检测错误状态的装置。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的系统。所述使用多种模式验证流量计的系统包括对于多个理想模式校准所述流量计的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统包含确定各个理想模式的流速对密度的影响的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包括对于各个理想模式计算流速补偿密度的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包括比较所述密度值的装置以及响应于所比较的密度值来检测错误状态的装置。

依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式确定物质流的温度的系统。所述使用多种模式确定物质流的温度的系统包括对于多个理想模式校准所述流量计以查明校准常数的装置。所述使用多种模式确定物质流的温度的系统包含对于各个理想模式确定管周期的装置。所述使用多种模式确定物质流的温度的系统进一步包含使用各个模式的所述校准常数和管周期来确定物质流温度的装置。

附图说明

图1说明本发明例子中的科里奥利流量计；

图2说明本发明例子中的验证系统；

图3说明本发明例子中的验证系统；

图4说明本发明例子中用于确定流速的过程；

图5说明本发明例子中的验证系统；

图6说明本发明例子中的验证系统；以及

图7说明本发明例子中用于温度的过程。

具体实施方式

图1-7和下面的说明描述特定的例子以教导本领域熟练技术人员如何实现和使用本发明的最佳方式。为了教导本发明原理的目的，一些常规方面已被简化或省略。本领域熟练技术人员将认识到处于本发明范围内的根据这些例子的变化。为了简短起见，所述例子在下面使用两种模式来表达。应当理解可以使用多于两种的模式。本领域熟练技术人员将认识到，在下面描述的特征可以各种方式被组合以形成本发明的多种变化。因此，本发明不限于下面所述的特定例子，而是仅仅由权利要求书及其等价物来限定。

图1示出一个科里奥利流量计5，它包括计量组件10和计量电子装置20。计量组件10对处理物质的质量流速和密度进行响应。计量电子装置20经导线100被连接至计量组件10以在通路26上提供密度、质量流速和温度信息、以及与本发明不相关的其它信息。尽管对于本领域熟练技术人员来说显而易见的是，本发明可被实施为振动管密度计而没有由科里奥利质量流量计所提供的附加测量性能，但还是描述了科里奥利流量计的结构。

计量组件10包括一对歧管(manifold)150和150′、具有法兰(flange)颈110和110′的法兰103和103′、一对平行流管130和130′、驱动机构180、温度传感器190、以及一对速度传感器170L和170R。流管130和130′具有两个基本上直的入口支管(leg)131和131′以及出口支管134和134′，它们在流管安装部件120和120′处彼此相向会聚。流管130和130′在沿其长度的两个对称位置处弯曲，并且在其整个长度上基本上是平行的。撑杆140和140′用于限定轴W和W′，每个流管围绕所述轴振荡。

将流管130和130′的侧支管131、131′和134、134′固定连接至流管安装部件120和120′，并且将这些部件再固定连接至歧管150和150′。这在科里奥利计量组件10中提供连续的闭合物质通路。

具有孔102和102′的法兰103和103′经由入口端104和出口端104′被连接入生产线(process line)(未示出)时，所述生产线传送正被测量的处理物质，通过法兰103的管口101进入所述流量计的端104的物质被引导穿过歧管150至具有表面121的流管安装部件120。在歧管150内，所述物质被分割并被传送穿过流管130和130′。一旦离开流管130和130′，所述处理物质在歧管150′内就被重新组合为单流，并且此后被传送离开端104′，所述端104′由具有螺栓孔102′的法兰103′连接至生产线(未示出)。

流管130和130′被选择并被适当安装到流管安装部件120和120′上，以便围绕弯曲轴W-W和W′-W′分别具有基本上相同的质量分布、转动惯量和杨氏模量。这些弯曲轴经过撑杆140和140′。因为所述流管的杨氏模量随温度而变化，并且这种变化影响流量和密度的计算，所以将电阻温度检测器(RTD)190安装到流管130′上以连续测量所述流管的温度。所述流管的温度以及因此对于通过其的给定流的出现在RTD上电压由通过所述流管的物质的温度来决定。在众所周知的方法中，计量电子装置20使用出现在RTD上的温度相关的电压来补偿由流管温度的任何变化引起的流管130和130′的弹性模量的变化。所述RTD由导线195连接至计量电子装置20。

流管130和130′围绕它们各自弯曲轴W和W′在相反方向上以及以被称为所述流量计的第一异相弯曲模式来由驱动器180驱动。这种驱动机构180可以包括许多众所周知的装置中的任何一种，例如安装到流管130′上的磁铁和安装到流管130上的相对线圈，并且通过所述线圈，交流电被传送以用于振动这两个流管。计量电子装置20经导线185将合适的驱动信号施加给驱动机构180。

计量电子装置20接收导线195上的RTD温度信号、以及分别出现在导线165L和165R上的左和右速度信号。计量电子装置20产生在导线185上出现的驱动信号，以驱动部件180并使管130和130′振动。计量电子装置20处理左和右速度信号以及RTD信号，以计算通过计量组件10的物质的质量流速和密度。这个信息连同其它信息一起由计量电子装置20经通路26施加给应用装置29。

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。质量测量是基于以下公式：

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项与所述流量计的硬度成比例。硬度是影响所述流量计性能的主要参数。换言之，如果所述流量计的硬度改变，则所述流量计的FCF将改变。所述流量计性能的改变可由腐蚀、侵蚀和涂敷引起。

为了反映所述硬度，公式(1)可被重写为：

其中：

G是与具体传感器相关的几何常数；

E是杨氏模量；以及

I是转动惯量。

当所述流量计的流管改变时，面积(area)转动惯量I改变。例如，如果所述管腐蚀减少壁厚，则所述面积转动惯量I被降低。

图2示出用于检测和区分流量计结构的变化与指示的流速的变化的过程200。过程200以根据下面的公式在步骤210和220中使用多种模式确定质量流速

开始：

当由流动噪声或受迫振动激励多种模式时，所述模式的振动将与通过所述流管的质量流量相耦合，从而对于各个模式引起科里奥利响应。所述科里奥利响应产生相关的Δt，所述Δt被用于计算各个模式的质量流量读数。

步骤230比较各个模式的质量流量读数。所得的质量流速对于各个模式必须是相同的。如果所述质量流量读数是相等的，则步骤250产生“正确操作”信号，并且该过程在步骤210重新开始。所述“正确操作”信号可以是以用户可见的或可听到的信号的形式。

当在所述质量流速间发生了在容许极限外的偏差时，则在步骤240中产生出错信号。在步骤240中所产生的出错信号可引起各种动作发生。例如，所述出错信号可使该过程被停止，或者可以发出警告操作者的可见的或可听到的信号，该操作者然后采取适当的动作。

科里奥利流量计5的密度测量是基于下面的公式：

$2\mathrm{\πf}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}}=\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(4\right)$

其中：

k是组件的硬度；

m是组件的质量；

f是振荡的频率；以及

τ是振荡的周期。

公式(4)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公式(4)的扩展来表示，从而得到：

$\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{EIG}}_{\mathrm{\ρ}}}{{\mathrm{\ρ}}_f{A}_f+{\mathrm{\ρ}}_t{A}_t}}---\left(5\right)$

其中：

E是杨氏模量；

I是横截面的转动惯量；

是几何常数；

A是横截面积；

是密度；

f表示流量计中的流体；以及

t表示所述流管的材料。

通过重新安排各项，公式(5)可被重写为：

ρ_f＝C₁τ²-C₂    (6)

其中：

$C_1=G_{\mathrm{\ρ}}\frac{\mathrm{EI}}{4{\mathrm{\π}}^2{A}_f},$ 以及(7)

$C_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_t{A}_t}{A_f}---\left(8\right)$

几何常数

说明诸如管长度和形状之类的几何参数。作为在零流量处对两种不同流体的标准校准过程的一部分，确定常数C₁和C₂。

图3示出用于检测和区分流量计结构的变化与指示密度的变化的过程300。过程300以在步骤310和320中使用多种模式确定密度

开始。由流动噪声或受迫振动可激励多种模式。

步骤330比较各个模式的密度读数。所得的密度读数对于各个模式必须是相同的。如果所述密度读数是相等的，则步骤350产生“正确操作”信号，并且该过程在步骤310重新开始。所述“正确操作”信号可以是以用户可见的或可听到的信号的形式。

当在所述密度读数间发生了在容许极限外的偏差时，则在步骤340中产生出错信号。在步骤340中所产生的出错信号可引起各种动作发生。例如，所述出错信号可使该过程被停止，或者发出警告操作者的可见的或可听到的信号，该操作者然后采取适当的动作。

除了在公式(1)中描述的用于确定质量流量的方法以外，密度还可被用于计算质量流量。如在Buttler等人1997年11月11日的美国专利No.5,687,100中更充分描述的，二阶流量对密度项的影响被添加至公式(6)，从而产生：

其中：

是质量流速；以及

FD是流量对密度常数的影响。

所述FD项对于给定振型(mode shape)的所有流速以及所有密度是常数，然而，所述FD项对于各个振型和管几何尺寸是不同的。

当以多种模式驱动流量计5或者测量多种模式时，可以导出多个公式和多个未知量。例如，在以两种模式驱动流量计5的情况下，密度公式被写为如下：

其中：

a是第一振型；

b是第二振型；

C_1aτ_a ²-C_2a是

即使用模式a的真实密度；

C_1bτ_b ²-C_2b是

即使用模式b的真实密度；

是对于流量对密度测量的影响所校正的真实密度；以及

是对于流量对密度测量的影响所校正的真实密度。

公式(10)和(11)是在零流量处使用两种模式对流量影响所校正的两个独立的密度读数。由于和是相等的，所以公式(10)和(11)可被组合以形成：

对于单流通路，m_a＝m_b，从而导致质量流量的解为如下：

图4示出用于基于密度来确定质量流量的过程400。过程400以在步骤410中使用模式“a”和“b”校准流量计5开始。使用两种不同的流体密度也就是空气和水，所述校准过程确定常数C_1a、C_2a、C_1b和C_2b。

步骤420根据上面的公式(6)确定密度值

和

步骤430比较

和

以确定所述密度值是否一致。如果密度值不一致，则必须再次在步骤410中执行校准。如果密度值一致，则步骤440和450确定用于模式“a”和“b”的相关的FD值。一旦FD值被确定，则在步骤460中使用公式(13)计算质量流量。

上面确定的

值还可被用于确定在所述流量计中何时发生改变。图5示出用于检测和区分流量计结构的变化与指示的流速的变化的过程500。过程500以在步骤510中从图4的步骤460确定质量流速开始。

步骤520根据公式(1)计算常规质量流速并且在步骤530中比较

和

如果所述质量流量读数是相等的，则步骤550产生“正确操作”信号，并且该过程在步骤510重新开始。所述“正确操作”信号可以是以用户可见的或可听到的信号的形式。

当在所述质量流量读数间发生了在容许极限外的偏差时，则在步骤540中产生出错信号。在步骤540中所产生的出错信号可引起各种动作发生。例如，所述出错信号可使该过程被停止，或者发出警告操作者的可见的或可听到的信号，该操作者然后采取适当的动作。

上面确定的

和

值还可被用于确定在所述流量计中何时发生改变。图6示出用于检测和区分流量计结构的变化与对于流速影响所校正的指示密度的变化的过程600。

过程600以在步骤610中使用模式“a”和“b”校准流量计5开始。使用两种不同的流体密度也就是空气和水，所述校准过程确定常数C_1a、C_2a、C_1b和C_2b。应该理解，可以使用多种模式，并且在这个例子中使用两种模式仅仅是为了说明的目的。

步骤620确定模式“a”和“b”的相关的FD值，一旦所述FD值被确定，则在步骤630中使用公式(10)和(11)计算

和

步骤640比较密度读数

和

密度读数对于各个模式必须是相同的。如果所述密度读数是相等的，则步骤660产生“正确操作”信号，并且该过程在步骤620重新开始。所述“正确操作”信号可以是以用户可见的或可听到的信号的形式。

当在所述密度读数间发生了在容许极限外的偏差时，则在步骤650中产生出错信号。在步骤650中所产生的出错信号可引起各种动作发生。例如，所述出错信号可使该过程被停止，或者发出警告操作者的可见的或可听到的信号，该操作者然后采取适当的动作。

多模式密度确定还可被用于查明物质流的温度。作为温度的函数的密度根据下式进行表示：

ρ_n＝C_1n*τ²(1-0.0004T)+C_2n    (14)

其中：

是使用模式n的温度补偿密度；

C1n是使用模式n的第一常数；

C2n是使用模式n的第二常数；

τ是管周期；以及

T是物质流的温度。

使用多种模式，使用公式(14)可以查明物质流的温度。例如，使用两种工作模式，公式(14)可被表示为两个公式：

ρ₁＝C₁₁*τ²(1-0.0004T)+C₂₁    (15)

ρ₂＝C₁₂*τ²(1-0.0004T)+C₂₂    (16)

由于

和

是相等的，所以公式(15)和(16)被写为：

$(1-0.0004T)=\frac{C_{22}-C_{21}}{C_{11}{\mathrm{\τ}}_2^2-C_{12}{\mathrm{\τ}}_2^2}---\left(17\right)$

对T求解得到：

$T=(1-\frac{C_{22}-C_{21}}{C_{11}{\mathrm{\τ}}_1^2-C_{12}{\mathrm{\τ}}_2^2})\frac{1}{0.0004}---\left(18\right)$

图7示出基于多模式密度确定来查明物质流温度的过程700。过程700以在步骤710中使用模式“1”和“2”校准流量计5开始。使用两种不同的流体密度也就是空气和水，所述校准过程确定常数C11、C21、C12和C22。

步骤720根据上面的公式(15)和(16)确定密度值

和

步骤730比较

和

以确定所述密度值是否一致。如果密度值不一致，则必须再次在步骤710执行校准。如果密度值一致，则步骤740确定模式“1”和“2”的相关的管周期值。一旦管周期值被确定，则在步骤750使用公式(18)计算温度。

Claims (2)

1.一种使用多种模式计算物质流的温度的方法，包括下列步骤：

对于各个理想模式校准所述流量计以确定校准常数；

对于各个理想模式确定管周期；以及

使用各个理想模式的所述校准常数和管周期来计算所述物质流的温度。

2.一种使用多种模式计算物质流的温度的系统，包括：

对于各个理想模式校准所述流量计以确定校准常数的装置；

确定与各个理想模式相关的管周期的装置；以及

使用各个理想模式的所述校准常数和管周期来计算所述物质流的温度的装置。

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