CN101646925B - 振动式流量计和确定流动物质粘度的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种根据本发明确定流动物质粘度的振动式流量计(5)。所述振动式流量计(5)包括计量器组件(200)，所述计量器组件配置成产生流动物质密度(ρ)，产生第一流管(210a)的第一质量流速(m₁)、和第二流管(210b)的第二质量流速(m₂)。所述振动式流量计(5)进一步包括位于所述第一流管(210a)中的限制孔(252)。所述限制孔(252)确保所述第一流管(210a)中流动物质的第一流速小于所述第二流管(210b)中流动物质的第二流速。

Description

振动式流量计和确定流动物质粘度的方法

技术领域

本发明涉及振动式流量计，更具体地，涉及振动式流量计和确定流动物质粘度的方法。

背景技术

流量计广泛地用于测量流动流体(包括气体和液体)的特征，例如，所述特征可包括质量流速和密度。所述特征可进一步包括流动流体粘度。粘度通常被限定为在剪切应力下阻止流体变形的测量值。其还被认为是流动阻力或流体摩擦。

在很多情况下会需要粘度测量。当最终产物需要具有预定粘度时会需要粘度测量。例子为机油或其他润滑剂，其中产生的或精炼的石油产品的粘度可能需要落入预定粘度范围内。在糖浆或其他食品生产中会需要或要求粘度测量。会需要粘度以此来控制或表征工业过程。

存在有粘度计。一种类型的粘度计是旋转粘度计，其中一些类型的本体在流体中旋转。执行旋转所需的力被测量并用于导出粘度测量值。但是旋转粘度计具有缺点。首先是流体样本必须从处理管线中移除以测量其粘度。而且，各种流体可呈现大范围的粘度——在一些情况下是四次方大小。因此，旋转粘度计也可在一些粘度下执行但可能不是最适合测量某些流体的粘度，并且可能不能在更高或更低的粘度下执行。旋转粘度计在应用中可具有问题，其中例如在食品工业或化学或半导体工业中，装置需要清洁且不能保存流动物质。

科里奥利计量器和振动密度计通过振动传导流动物质的一个或多个流管操作。这种振动式流量计有利地在操作中不限制流量。另外，这种振动式流量计包括基本光滑和不中断的导管，其易于清空并易于清洁。这在很多流量测量环境中提供了优点。

发明内容

根据本发明实施例提供了用于确定流动物质粘度的振动式流量计。振动式流量计包括计量器组件，所述计量器组件配置成产生流动物质密度(ρ)，产生第一流管的第一质量流速

和第二流管的第二质量流速

振动式流量计进一步包括位于第一流管中的限制孔。限制孔确保第一流管中流动物质的第一流速小于第二流管中流动物质的第二流速。

根据本发明实施例提供了用于确定流动物质粘度的振动式流量计。振动式流量计包括：接收流动物质的第一部分作为第一流的第一流管；接收流动物质的第二部分作为第二流的第二流管；以及被配置成基本同时地振动第一流管和第二流管的共用驱动器。振动式流量计进一步包括三个传感器，所述传感器配置成产生来自第一流管的第一振动响应和来自第二流管的第二振动响应。三个传感器之一在第一流管和第二流管之间共用。振动式流量计进一步包括位于第一流管中的限制孔。限制孔小于所处位置流管直径并且限制孔确保第一流不同于第二流。

根据本发明实施例提供了用于确定流动物质粘度的振动式流量计。振动式流量计包括接收流动物质的第一部分作为第一流的第一流管，接收流动物质的第二部分作为第二流的第二流管，以及配置成基本同时地振动第一流管和第二流管的共用驱动器。振动式流量计进一步包括三个或多个传感器，所述传感器配置成产生来自第一流管的第一振动响应和来自第二流管的第二振动响应。振动式流量计进一步包括位于第一流管中的可移除孔元件并包括限制孔。限制孔小于所处位置流管直径并且限制孔确保第一流不同于第二流。

根据本发明实施例提供了用于确定流动物质粘度的振动式流量计。振动式流量计包括接收流动物质的第一部分作为第一流的第一流管，接收流动物质的第二部分作为第二流的第二流管，以及配置成基本同时地振动第一流管和第二流管的共用驱动器。振动式流量计进一步包括三个或多个传感器，所述传感器配置成产生来自第一流管的第一振动响应和来自第二流管的第二振动响应。振动式流量计进一步包括可控孔元件，所述可控孔元件提供与第一流管连通的可调节限制孔。可调节限制孔小于所处位置流管直径并且可控孔元件因此确保第一流不同于第二流。可控孔元件可被控制以得到多个孔构造。

根据本发明实施例提供了确定振动式流量计中流动物质粘度的方法。该方法包括用限制孔部分地限制第一流管。第一流管传导流动物质的第一流，第二流管传导流动物质的第二流。第二流不同于第一流。该方法进一步包括用驱动器振动振动式流量计的第一流管并产生第一振动响应，并且基本同时地用驱动器振动振动式流量计的第二流管并产生第二振动响应。该方法进一步包括由第一振动响应和第二振动响应确定流动物质粘度。

方面

在振动式流量计的一个方面，限制孔选择用于预定流动物质粘度范围。

在振动式流量计的另一个方面，振动式流量计包括粘度计。

在振动式流量计的另一个方面，流量计进一步包括位于第二流管中的第二限制孔，第二限制孔不同于所述限制孔。

在振动式流量计的另一个方面，流量计进一步包括计量器电子设备，所述计量器电子设备连接到计量器组件并配置成接收来自第一流管的第一振动响应，接收来自第二流管的第二振动响应，并由第一振动响应和第二振动响应确定流动物质密度(ρ)、第一质量流速

以及第二质量流速

在振动式流量计的另一个方面，流量计进一步包括由流动物质密度(ρ)、第一流的第一质量流速

以及第二流的第二质量流速

确定流动物质粘度。

在振动式流量计的另一个方面，限制孔基本固定在计量器组件中。

在振动式流量计的另一个方面，限制孔形成在可移除孔元件中。

在振动式流量计的另一个方面，限制孔包括可控孔元件的可调节限制孔。

在振动式流量计的另一个方面，计量器组件包括三个或多个传感器，所述传感器配置成产生来自第一流管的第一振动响应和来自第二流管的第二振动响应。

在振动式流量计的另一个方面，计量器组件包括三个传感器，所述传感器配置成产生来自第一流管的第一振动响应和来自第二流管的第二振动响应，其中三个传感器之一在第一流管和第二流管之间共用。

在振动式流量计的另一个方面，流量计进一步包括计量器电子设备，其连接到三个传感器并配置成接收来自第一流管的第一振动响应，接收来自第二流管的第二振动响应，并由第一振动响应和第二振动响应确定流动物质粘度。

在振动式流量计的另一个方面，流量计进一步包括计量器电子设备，其连接到三个或多个传感器并配置成接收来自第一流管的第一振动响应，接收来自第二流管的第二振动响应，并由第一振动响应和第二振动响应确定流动物质粘度。

在振动式流量计的另一个方面，所述三个或多个传感器中的一个在第一流管和第二流管之间共用。

在振动式流量计的另一个方面，流量计进一步包括与第二流管连通并包括第二可调节限制孔的第二可控孔元件，第二可调节限制孔不同于所述可调节限制孔。

在该方法的一个方面，振动式流量计包括位于第一流管中的限制孔，所述限制孔小于所处位置流管直径，限制孔确保第一流不同于第二流。

在该方法的另一个方面，限制孔被选择用于预定流动物质粘度范围。

在该方法的另一个方面，振动式流量计包括粘度计。

在该方法的另一个方面，该方法进一步包括位于第二流管中的第二限制孔，第二限制孔不同于所述限制孔。

在该方法的另一个方面，由第一振动响应和第二振动响应确定流动物质粘度包括由流动物质密度(ρ)，第一流的第一质量流速

和第二流的第二质量流速

确定粘度。

在该方法的另一个方面，限制孔基本固定在计量器组件中。

在该方法的另一个方面，限制孔形成在可移除孔元件中。

在该方法的另一个方面，限制孔包括可控孔元件的可调节限制孔。

在该方法的另一个方面，振动式流量计包括三个或多个传感器，其配置成产生第一振动响应和第二振动响应，其中所述三个或多个传感器中的一个在第一流管和第二流管之间共用。

附图说明

图1示出了包括计量器组件和计量器电子设备的科里奥利流量计。

图2示出了根据本发明实施例的振动式流量计。

图3是根据本发明实施例确定振动式流量计中的流动物质粘度的方法的流程图。

图4示出了根据本发明实施例的振动式流量计。

图5示出了根据本发明实施例的振动式流量计。

图6示出了根据本发明实施例的流管的一部分。

图7示出了根据本发明实施例的输出歧管。

图8示出了根据本发明实施例的流量计的一部分。

图9示出了根据本发明实施例的振动式流量计。

图10示出了根据本发明实施例的直管振动式流量计。

具体实施方式

图1-10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模式。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示出了包括流量计组件10和计量器电子设备20的流量计5。计量器电子设备20经由导线100被连接至计量器组件10，以便经过通路26提供密度、质量流速、体积流速、总质量流量、温度和其他信息。对于本领域技术人员应显而易见的是本发明可用于任意类型的科里奥利流量计，而与驱动器、传感器、流管的数量或振动的操作模式无关。另外，应认识到的是流量计5可替换地包括振动密度计。

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

管线法兰101和101′被固定到歧管102和102′上。歧管102和102′可被固定到间隔件(spacer)106的相对端。间隔件106保持歧管102和102′之间的间隔，以防止流管103A和103B中由管线力引起的不希望有的应力。当流量计组件10被插入到运送所测量物质的导管系统(未示出)中时，物质通过管线法兰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，经过流管103A和103B，并且回到全部物质通过管线法兰101′离开计量器组件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线W-W和W′-W′的基本相同的质量分布、惯性矩和弹性模量。流管以基本平行的方式从歧管向外延伸。

流管103A和103B由驱动器104在围绕它们各自弯曲轴线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的反作用线圈。交流电经过所述反作用线圈，从而引起两个流管振动。合适的驱动信号通过计量器电子设备20经由导线100被施加给驱动器104。

计量器电子设备20分别在导线111和111′上接收传感器信号。计量器电子设备20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振动。计量器电子设备20处理来自传感器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提供允许计量器电子设备20与操作者或与其他电子系统交互的输入和输出装置。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示出了根据本发明实施例的计量器组件200。计量器组件200可替代振动式流量计5中的图1的计量器组件10，其中计量器组件200可被连接到计量器电子设备20。包括计量器组件200的流量计5包括为流动物质确定粘度的粘度计。然而，应理解的是流量计5可额外地提供质量流量测量值(包括经过独立流管的质量流测量值(

和

))和流动物质的密度测量值(ρ)。因此，流量计5可额外地包括振动密度计和/或科里奥利流量计。其他额外的流量测量值可被产生且在说明书和权利要求的范围内。

计量器电子设备20在一个实施例中被配置成使得传导第一流的第一流管210a并且振动传导第二流的第二流管210b振动，其中振动由共用驱动器216执行。计量器电子设备20进一步接收来自第一流管210a的第一振动响应，接收来自第二流管210b的第二振动响应，并由第一振动响应和第二振动响应确定粘度。另外，计量器电子设备20可进一步确定第一流和第二流的质量流速和密度。因此粘度可由第一流管210a的第一质量流速

第二流管210b的第二质量流速

和流动物质密度(ρ)确定。

在大范围的流体粘度中出现了测量粘度中的一个共有问题。粘度可以四次方大小而变化。流动流体必须以足够高的流速流经计量器，这样计量器可精确地测量流体，也必须以足够低的流速经过计量器，这样经过计量器的压降不是过大的。

在一些实施例中，第一流和第二流基本为层流态。相对高粘度的流动物质在低流体流量过程中将具有层流。因此，流管中的流动物质基本上是平滑的且未受干扰的，且压降是高的。对于层流，限制孔可需要比所处位置流管尺寸小很多，从而具有足够高的压降来产生流速之间显著的差别。

在其他实施例中，第一流和第二流基本上为湍流态。低粘度流动物质将以可测量的流速展现出湍流，例如在相对高的流速和相对低的压力下。因此，第一流管和第二流管中的流动物质将具有相对低的压降，甚至在限制孔不存在的情况下也是如此。对于湍流，限制孔将只需要稍微小于所处位置流管尺寸。

遗憾地，层流和湍流态的压降等式是不同的。因此，层流态的最佳限流器对于湍流态不是最佳的。因此，设计可适应于低粘度和高粘度的流体以及其之间的流体的粘度测量计量器一直以来是一个问题。

该问题的解决方案是对每种流态分别地优化参数组并对所需的粘度或粘度范围采用适当的限流器。该解决方案可包括采用可移除孔元件。因此，适当的限制孔可通过选择可移除孔元件而被选择并可用于配置流量计。限流器在流动通道中提供额外的压降。压降与流体耗散的动能成比例。比相应流管更小直径/尺寸的限制孔导致流速增加。过快的流速作为湍流向下游耗散。由这种能量耗散导致的压降压力等式中仅有压降项，而与粘度无关。在没有此项(例如使用文氏管代替孔)时，粘度从压力等式中去除。因此，在作为限流装置的一个流管中，具有文氏管的计量器中的流速与粘度无关，并不能用于确定粘度。

计量器组件200包括第一流管210a和第二流管210b。第一和第二流管201a和210b在本实施例中从共用入口212开始并具有独立的第一和第二出口213a和213b。两个流管210a和210b在入口端可包括法兰(见图9-11)。两个流管210a和210b在出口端包括法兰244a和244b。计量器组件200可替换地接收单独输入流量并不需要将输入流分成两个流的输入歧管。然而，为了确定粘度，导管中的流动物质必须相同并且必须在入口以相同压力提供。类似地，计量器组件200的输出可包括组合的流动流或可包括在出口具有相同压力的两个独立流动流。

在一个实施例中，流管210a和210b包括基本上U形流管，如所示。可替换地，在图10所示并如下所述的实施例中，流管210a和210b可包括基本上直的流管。然而，其他形状也可被使用且在说明书和权利要求的范围内。

共用驱动器216位于第一流管210和第二流管210b之间。共用驱动器216被配置成同时地振动第一和第二流管210a和210b。

计量器组件200可包括三个或四个传感器218。传感器218由导线100(未示出)连接到计量器电子设备20。因此，来自传感器的振动响应由计量器电子设备20被接收并由计量器电子设备20处理。

在第一实施例中，共用传感器218位于第一流管210a和第二流管210b之间。共用传感器218被配置成由第一流管210a和第二流管210b二者的振动产生共用振动响应。共用传感器218可包括上游传感器或下游传感器。

第一独立传感器218′a连接到第一流管210a并被配置成由第一流管210a的振动产生第一独立振动响应。第二独立传感器218′b连接到第二流管210b并被配置成由第二流管210b的振动产生第二独立振动响应。第一和第二独立传感器218′a和218′b可由任意方式的刚性支撑结构(未示出)支撑，其中第一和第二独立传感器218′a和218′b由支撑结构保持在固定位置并测量相应流管的振动运动。独立传感器218′a和218′b中的每个因此产生对单个流管的振动响应，与其他流管无关(与其他流动流无关)。

计量器组件200包括位于第一流管210a中的限制孔252。在图中所示的实施例中，限制孔252在可移除孔元件250中应用并由可移除孔元件250提供(还可见图4-5)。然而，计量器组件200可替换地应用基本上固定在流管210中的限制孔252(见图6和所附文字)或可应用可控孔元件290(见图7-8和所附文字)。

图中示出了包括限制孔252的可移除孔元件250。限制孔252定位在第一流管210a的流动通道和输出歧管280a的相应流动通道之间。可移除孔元件250可被夹住、捕获(trapped)或以其他方式保持在出口法兰244和输出歧管280之间。尽管限制孔252被示出在流管出口处，但是应理解的是，限制孔252可位于流管中的任意点，其中限制孔252减小受影响的流管中的流速。

仅示出了一个输出歧管280，但是应理解的是，法兰244a和244b二者可连接到一个或多个各自的输出歧管，只要计量器组件200在两个歧管中保持基本上相等的上游压力和下游压力即可。可替换地，可移除孔元件250可以任意方式的容器，插口等被接收。

限制孔252可为预定尺寸并可为预定形状。尺寸的不同可根据流动物质的特征选择，包括流动物质粘度。限制孔252可选择用于预定流动物质粘度范围。限制孔252的尺寸小于所处位置流管直径(见虚线)。限制孔252因此限制第一流管210a的流量并使第一流管210a中的第一流的流速小于第二流管210b中的第二流的流速。

限制孔252导致第一流管210a中的动能损失。损失的动能包括流量中的湍流。动能是不可回收的，如文氏管那样。本文所使用的术语文氏管可被限定为流动通道部分，其包含流动面积减小，随后流动面积逐渐增加使得全部流体压力的大部分被保留，其中，静态流体压力被转化为动态压力并然后转换回静态压力。经过孔的压力损失(ΔP)的基本等式包括：

$\mathrm{\ΔP}=K\frac{\mathrm{\ρ}(V_0^2-V_1^2)}{2}---\left(1\right)$

其中ΔP是由于孔引起的压力变化，K是动能耗散系数，ρ是流动流体的密度，V₁是第一流管210a中的流速，V₀是经过孔的流速。

上述等式表示由于经过孔(在孔之后)耗散的动能引起的总压降。应注意的是耗散系数(K)是孔径比(β)的函数。孔径比(β)包括孔直径(d₀)与第一流管210a的管直径(d₁)的比。

K＝1-0.24β-.52β²-.16β³    (2)

流管中压降的基本等式可通过Darcy方程确定：

$\mathrm{\ΔP}=f\frac{l}{d}\frac{\mathrm{\ρ}{V}^2}{2}---\left(3\right)$

其中(f)是管的摩擦因子，(1)是管的长度，(d)是管直径。

对于层流流量，摩擦因子(f)可表示为：

$f_{\mathrm{lam}}=\frac{64}{\mathrm{Re}}=\frac{64\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρVd}}---\left(4\right)$

其中(Re)是Reynolds数且(μ)是流体粘度。因此，层流管中的压降(ΔP)包括：

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{lam}}=\frac{64\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρVd}}\frac{l}{d}\frac{\mathrm{\ρ}{V}^2}{2}=\frac{32\mathrm{\μlV}}{d^2}---\left(5\right)$

对于湍流流体流量，压降(ΔP)可再次由Darcy方程表示：

$\mathrm{\ΔP}=f\frac{l}{d}\frac{\mathrm{\ρ}{V}^2}{2}---\left(6\right)$

但是对于湍流流量，摩擦因子(f)具有形式：

$f_{\mathrm{rurb}}=\frac{0.316}{{\mathrm{Rc}}^{\frac{1}{4}}}---\left(7\right)$

这将Darcy方程转化成：

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{rurb}}=\frac{.316{\mathrm{\μ}}^{\frac{1}{4}}{\mathrm{l\ρ}}^{\frac{3}{4}}{V}^{\frac{7}{4}}}{{2d}^{\frac{5}{4}}}---\left(8\right)$

因为经过计量器组件200的两个流动通道来自共用上游压力并在共用下游压力结合，因而经过两个流动通道的压降一定相等。因此，第二流管压降(ΔP₂)可假定为等于第一流管压降(ΔP₁)。然而，经过两个流管210a和210b的流速不相等，因为一个流管包含限制孔252。

ΔP₁＝ΔP₂       (9)

因此，等式(9)可被转换成层流态粘度等式，包括：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{lam}}=\left(\frac{\mathrm{K\ρ}{d}^2}{64l}\right)\×\left(\frac{V_0^2-V_1^2}{V_2-V_1}\right)---\left(10\right)$

流速项可由计量器组件200得到的质量流速和密度测量值导出，其中：

${\stackrel{\·}{m}}_1=\mathrm{\ρ}{A}_1{V}_1---\left(11\right)$

${\stackrel{\·}{m}}_2=\mathrm{\ρ}{A}_2{V}_2---\left(12\right)$

项(A)是流管的横截面流动面积。因此，第一流管210a中的流动物质的速度V₁包括：

$V_1=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_1}{\mathrm{\ρ}{A}_1}---\left(13\right)$

第二流管210b中的速度V₂包括：

$V_2=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_2}{\mathrm{\ρ}{A}_2}---\left(14\right)$

应理解的是，经过限制孔252的流速，即V₀，包括：

$V_0=V_1\×\frac{d_1^2}{d_0^2}---\left(15\right)$

其中d₁是第一流管210a的直径，d₀是限制孔252的直径。在此例子中，限制孔252位于第一流管210a中。

同样，等式(9)可被转化为湍流态粘度等式，包括：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{rurb}}={\left[\frac{{\mathrm{Kd}}^{\frac{5}{4}}{\mathrm{\ρ}}^{\frac{1}{4}}(V_0^2-V_2^2)}{.316l(V_2^{\frac{3}{4}}-V_1^{\frac{7}{4}})}\right]}^4---\left(16\right)$

等式(16)，与上述等式(13-15)一起，可用于从第一质量流速第二质量流速

和流动物质密度(ρ)的测量值导出湍流态中的粘度。

在所示实施例中，第一振动响应包括来自共用传感器218的共用振动响应，以及来自第一独立传感器218′a的第一独立振动响应。第一流管时间延迟(Δt₁)包括共用振动响应和第一独立振动响应之间的相差。第二振动响应包括共用振动响应和来自第二独立传感器218′b的第二独立振动响应。第二流管时间延迟(Δt₂)包括共用振动响应和第二独立振动响应间的相差。时间延迟(Δt)因此反应了流管的上游振动响应和下游振动响应之间的相差。第一流管时间延迟(Δt₁)和第二流管时间延迟(Δt₂)可由计量器电子设备20使用以确定计量器组件200的各种流动流特征。例如，第一流管时间延迟(Δt₁)和第二流管时间延迟(Δt₂)可用于确定第一和第二质量流速和振动管的自然频率还可被处理以产生密度测量值(ρ)。

计量器组件200的第一流动流必须不同于第二流动流。因此，第一质量流速可被限制为小于第二质量流速

因此，经过每个流管的流量可独立于经过其他导管的流量被测量。

在一个实施例中，流管210a和210b包括基本上U形流管，如所示。可替换地，流管210a和210b可包括基本上直的流管(见图10)。然而，其他形状也可被使用且在说明书和权利要求的范围内。

图中示出了任选的第二可移除孔元件250b(虚线)。第二可移除孔元件250b可包括第二限制孔252b。第二限制孔252b在所示实施例中近似于与第二流管210b尺寸相同。例如这可保持计量器组件200和输出歧管280之间的均匀间隔。可替换地，第二可移除孔元件250b可包括一个部件，该部件包括限制孔252和第二限制孔252b二者。

应理解的是，第二限制孔252b可小于第二流管210b。然而，第二限制孔252b不能产生等于第一质量流速

的第二质量流速

因此，第二限制孔252b必须不同于限制孔252。

通过适当选择可移除孔板250，计量器组件200能够根据所需流动物质来配置。例如，如果流动物质具有相对低的粘度，即，流动物质具有低的流动阻力，那么限制孔252被选择成与流管内径相对类似的尺寸，计量器组件200在湍流态中操作。相应地，如果粘度是高的，即，流动物质具有高的流动阻力，那么限制孔252可被选择成与流管内径相比尺寸相对小(即，直径上的大变化)，因为需要经过限制孔252的流速的大变化来产生所需动能损失。

计量器组件200可测量第一流管210a的第一质量流速

并可独立地测量第二流管210b的第二质量流速

计量器组件200具有驱动算法的锁相回路的优点。驱动算法可使用锁相回路构造锁定传感器中的一个和驱动信号之间的相。因此，共用传感器218为了简单可被锁定到驱动信号。通过利用传感器装置中这种锁定特征的优点，能够使单个传感器锁定与驱动信号同相并具有两个独立传感器，以允许两个独立振动响应。时间延迟(Δt)在锁定的传感器和两个独立传感器中的每个之间被测量。另外，锁定的传感器还可包括参考反馈信号，其进一步用于产生驱动信号。

尽管经过每个流管的流量是独立的，但是一个流管中的质量流量的测量值不是独立于经过其他导管的流量。经过一个导管的流在另一个导管中引入相。因为这种联系，新的质量流量等式根据本发明用于三个传感器计量器组件200的两个流管。新的双流管等式可基于由流管210a和210b二者经历的时间延迟(即，Δt₁和Δt₂)。

在传统的双管科里奥利流量计中，测量两个流管之间的相，且计算在入口侧计量器和出口侧计量器之间的相差。这种相差转换为单个时间延迟(Δt)并用于确定流量数值(例如质量流速)，通过应用等式：

$\stackrel{\·}{m}=\mathrm{FCF}\×(\mathrm{\Δt}-\mathrm{\Δtz})*(1-T_c\×T)---\left(17\right)$

T_c和T项分别表示校准和环境温度测量值。在该等式中，时间延迟(Δt)的单个测量值可用于测量流量。时间延迟(Δt)通过为零的时间延迟(Δtz)调节。为零的时间延迟(Δtz)包括校准因子，其在无流量条件下确定。

然而，这种传统的质量流速等式不足以用于三个传感器计量器组件200中的两个独立流管。原因在于本发明的双流管中，流在两个管中引入了一些相。甚至在两个流管仅有一个存在流量时也是这样。在传统流量计中，因为共用流经过两个流管，引入的相在每个导管中是相同。因此，引入的相在两个导管之间不作为相差出现并且不是计算结果的因子。因此，单个时间延迟可用于现有技术以确定传统流量计中的流速。

相反，在本发明中第一和第二流动流是独立的，结果，由两个流引入的相在两个流管之间可不同。因此，不能采用基于单个时间延迟的质量流速等式。

三个传感器计量器组件200中的流在流管210a和210b二者中引入相，甚至在流可只存在于流管的一个中也是如此。两个引入的相可不同。因此，每个流管都需要两个时间延迟测量值从而测量流量。可为一个或两个流进行流量测量。这种测量方案的一个示例可以下列等式示出：

${\stackrel{\·}{m}}_1={\mathrm{FCF}}_{11}(\mathrm{\Δ}{t}_{11}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{tz}}_{11})\×(1-T{c}_1\×T{m}_1)+{\mathrm{FCF}}_{12}(\mathrm{\Δ}{t}_{12}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{tz}}_{12})\×(1-T{c}_2\×T{m}_2)---\left(18\right)$

${\stackrel{\·}{m}}_2={\mathrm{FCF}}_{22}(\mathrm{\Δ}{t}_{22}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{tz}}_{22})\×(1-{\mathrm{Tc}}_2\×{\mathrm{Tm}}_2)+{\mathrm{FCF}}_{21}(\mathrm{\Δ}{t}_{21}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{tz}}_{21})\×(1-{\mathrm{Tc}}_1\×{\mathrm{Tm}}_1)---\left(19\right)$

其中下标1表示第一流管210a，下标2表示第二流管210b。由于经过一个流管的流在另一个管中引入相，所以需要等式(18)和(19)中的第二项(即，例如FCF₁₂项中的″2″)。等式(18)和(19)可在计量器电子设备20中使用来确定流管210a和210b二者中的质量流速。

下文中，对于形式(Δt_B ^A)的时间延迟值，上标A表示正在传导流量的是哪个流管。如果流量被传导经过第二流管210b，那么时间延迟值将为形式(Δt_R ²)。下标B表示正在从哪个流管接收振动响应。因此，值(Δt₂ ¹)是对第二流管测量的时间延迟，其中流经过第一流管210a。可替换地，值(Δt₁ ²)是对第一流管210a测量的时间延迟，其中流经过第二流管210b。上标零表示无流量条件，其中值(Δt₁ ⁰)表示对第一流管210a测量的时间延迟，其中第一流管在零或无流量条件下被共用驱动器216振动。

然而，等式(18)和(19)更简单的形式可用于确定流动流特征。等式(18)和(19)不利用任何对称性。对称的一个可能形式是时间延迟。如果时间延迟是对称的，即，如果：

$\mathrm{\Δ}{t}_{11}\≅\mathrm{\Δ}{t}_1---\left(20a\right)$

$\mathrm{\Δ}{t}_{12}\≅\mathrm{\Δ}{t}_2---\left(20b\right)$

$\mathrm{\Δ}{t}_{21}\≅\mathrm{\Δ}{t}_1---\left(19c\right)$

$\mathrm{\Δ}{t}_{22}\≅\mathrm{\Δ}{t}_2---\left(20d\right)$

那么等式(17)和(18)变为：

${\stackrel{\·}{m}}_1={\mathrm{FCF}}_{11}(\mathrm{\Δ}{t}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{tz}}_1)\×(1-{\mathrm{Tc}}_1\×{\mathrm{Tm}}_1)+{\mathrm{FCF}}_{12}(\mathrm{\Δ}{t}_2-\mathrm{\Δ}{\mathrm{tz}}_2)\×(1-{\mathrm{Tc}}_2\×{\mathrm{Tm}}_2)---\left(21\right)$

${\stackrel{\·}{m}}_2={\mathrm{FCF}}_{22}(\mathrm{\Δ}{t}_2-\mathrm{\Δ}{\mathrm{tz}}_2)\×(1-{\mathrm{Tc}}_2\×{\mathrm{Tm}}_2)+{\mathrm{FCF}}_{21}(\mathrm{\Δ}{t}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{tz}}_2)\×(1-{\mathrm{Tc}}_1\×{\mathrm{Tm}}_1)---\left(22\right)$

T项表示温度测量值。Tc₁项是第一流管210a的温度，Tm₁项是第一流动流体的温度。同样，Tc₂项是第二流管210b的温度，Tm₂项是第二流动流体的温度。(Δtz₁)值是第一流管210a的零流量校准值，(Δtz₂)值是第二流管210b的零流量校准值。流量校准因子FCF₁₁，FCF₁₂，FCF₂₁，和FCF₂₂是校准系数，其由流量测试确定并随后用于流动流特征校准中。

另外地，流量校准因子还可为对称的。在这种情况下，等式(21)和(22)将由于流量校准因子可近似对称(即，FCF₁₂≈FCF₂₁)而进一步简化。等式的对称将将影响校准过程。

测量两个质量流速的能力还能够测量超过仅仅两个质量流速的额外过程变量。例如，如果流管中的一个包含限制孔，两个流速的比可与动态粘度相关。另一个潜在应用可为测量流管内表面的涂层。这种流管涂层将不平衡的质量引入系统并且这种不平衡质量可通过两个产生的流管振动响应的幅值的比而检测。具有刚好两个例子，其能用流量计测量两个独立的流动流。

图3是根据本发明实施例确定振动式流量计中流动物质粘度的方法的流程图300。在步骤301，限制第一流管从而由限制产生的湍流导致不可回收的动能损失。因为第一流管中的限制，经过第一流管的第一流速小于经过第二流管的第二流速。

在步骤302，振动第一流管并产生第一振动响应。第一振动响应包括对计量器组件200的流管振动的响应。

在步骤303，振动第二流管并产生第二振动响应。第二流管连同第一流管一起由例如共用驱动器基本上同时振动。第二振动响应包括对计量器组件200的流管振动的响应。

在步骤304，确定流动物质粘度。粘度可由第一振动响应和第二振动响应确定。更具体地，粘度可由所确定的流动物质密度(ρ)、所确定的第一流的第一流速

和所确定的第二流的第二流速

确定。流动物质密度(ρ)、第一流速

和第二流速可由第一和第二振动响应确定，如前所述。

图4示出了根据本发明实施例的计量器组件200。与其他实施例共用的元件具有共同的附图标记。本实施例的计量器组件200包括共用法兰244。第一流管210a和第二流管210b二者终止于法兰244中。本实施例的计量器组件200可进一步包括连接共用法兰的输出歧管280。可移除孔板250可被压缩或以其他方式保持在法兰244和输出歧管280之间。可移除孔板250可包括至少一个限制孔252，如前所述。如前面所公开的那样，限制孔252小于所处位置导管直径。

如图所示，可移除孔板250可与仅一个流管连通。然而，应理解的是，可移除孔板250可替换地包括与其他流管连通的第二孔。在可替换孔板中包括两个孔，一个孔必须小于另一个以此来产生两个流管之间的不同流速。

法兰244和输出歧管280之一或二者可包括接收可移除孔板250的腔室或锥口孔283。因此，可移除孔板250被保持在法兰244和输出歧管280之间。在可移除孔板250至少部分可压缩的实施例中，可移除孔板250在法兰244和输出歧管280之间可至少部分压缩。可替换地，可移除孔板250可夹持在法兰244和输出歧管280之间。

图5示出了根据本发明实施例的计量器组件200。在本实施例中，限制孔252是非圆形的。在本实施例中，限制孔252包括半圆形的孔252。

应理解的是可应用任意孔形状。限制孔252上仅有的条件是其产生不可回收能量损失。因此，限制孔252不可包括文氏管或能够回收动能并将其转换回压力的其他限制装置。

图6示出了根据本发明实施例的部分流管210。在本实施例中，可移除孔元件250定位在流管210内部。可移除孔元件250包括限制孔252，如前所述。可移除孔元件250可安装到流管210并从流管210移除。

在一些实施例中，可移除孔元件250可由流管210的特征保持到位。例如，可移除孔元件250可由流管210中的弯曲部保持到位。可替换地，可移除孔元件250可通过缩小或改变流管210的形状保持到位。在另一个替代方案中，可移除孔元件250可由其他紧固件保持到位，紧固件包括弹簧或其他偏压元件，等等。例如，可移除孔元件250可包括基本上螺旋的条带材料，其可至少部分地径向压缩用于插入或移除。在另一个替代方案中，可移除孔元件250可通过摩擦力保持到位。

在另一个实施例中，可移除孔元件250可包括流管210的一部分或可固定在流管210中。例如，限制孔252可包括至少部分绕流管内部延伸以形成限制孔252的焊道。然而，应理解的是，限制孔可以其他方式形成。

图7示出了根据本发明实施例的输出歧管280。在本实施例中，限制孔252在歧管280中形成并包括可控孔元件290。然而，应理解的是，可控孔元件290可替换地形成在法兰244中或可定位在例如出口法兰和出口歧管之间。其他可控孔元件290可以被想到且在说明书和权利要求的范围内。

可控孔元件290可移动以产生各种尺寸的限制孔252。可控孔元件290可根据需要被致动并以此来产生所需限制孔252。

可控孔元件290在所示实施例中被配置成滑动以此来使限制孔252更大或更小。然而，可控孔元件290可被配置成以其他方式移动。

所示实施例中的可控孔元件290包括保持大约圆形限制孔252的弯曲端部255。然而，端部255可包括任意形状并不必须保持圆形限制孔252。

在一些实施例中，可控孔元件290可被电致动，其中可控孔元件290可被移动以扩大或限制限制孔252的尺寸。在这种实施例中，可控孔元件290可由计量器电子设备20移动，其中计量器电子设备20可任选地控制限制孔252的尺寸和/或形状。

图8示出了根据本发明实施例的部分计量器组件200。该图示出了共用法兰244和连接到法兰244的部分导管280a和280b(或出口歧管280)。应理解的是，可替换地，计量器组件200可包括单独的法兰244a和244b，如图2所示。计量器组件200在本实施例中包括可控孔元件290，例如阀。可控孔元件290可与流管中的至少一个连通。可控孔元件290可被致动以此来提供(并修改)限制孔252。

在一个实施例中，可控孔元件290可由计量器电子设备20致动。计量器电子设备20可选择可控孔元件的位置并因此选择限制孔的尺寸。计量器电子设备20可基于预期或预先指定流动物质粘度来选择可控孔元件的位置。另外，计量器电子设备20可执行任意方式的收敛算法并因此可根据实际或预期流动物质粘度来致动可控孔元件290。

有利地，在一些实施例中可控孔元件290可在阀位置的基本上连续范围内移动。可控孔元件290可移动到完全关闭或几乎完全关闭位置。可控孔元件290可移动到完全或几乎完全打开位置。

图9示出了根据本发明实施例的计量器组件200。在本实施例中，第一流管210a包括定位成检测第一流管210a的振动的一对第一传感器218a和218′a。第二流管210b包括定位成检测第二流管210b的振动的一对第二传感器218b和218′b。第一传感器218a和218′a和第二传感器218b和218′b可由任意方式的刚性支撑结构(未示出)支撑，其中传感器由支撑结构保持在插入位置并测量相应流管的相对振动运动。然而，第一传感器218a和218′a的支撑结构可与用于第二传感器218b和218′b的支撑结构相同或不同。在流管210a和210b振动时，该对第一传感器218a和218′a产生第一流管210a的流动特征测量值，该对第二传感器218b和218′b产生第二流管210b的流动特征测量值。

图10示出了根据本发明实施例的直管式计量器组件200。在本实施例中，流管210a和210b基本上是直的。应理解的是，本实施例的计量器组件200可包括图2所示的一个共用的传感器器或可包括图9所示的两个独立传感器器组。

如果需要的话，根据本发明的振动式流量计和方法可根据任意实施例应用，从而提供若干优点。根据本发明的振动式流量计可作为粘度计工作。振动式流量计和方法使振动式流量计能够测量流动物质粘度。振动式流量计和方法使粘度计能够快速简单地配置用于具体流动物质。振动式流量计和方法使粘度计能够快速简单地重新配置用于新的流动物质。

Claims (40)

1.一种确定流动物质粘度的振动式流量计(5)，包括第一流管(210a)、第二流管(210b)、计量器组件和计量器电子设备，计量器组件包括三个传感器，第一流管(210a)接收流动物质的第一部分作为第一流，第二流管(210b)接收流动物质的第二部分作为第二流，振动式流量计(5)的特征在于：

所述三个传感器(218)配置成产生来自所述第一流管(210a)的第一振动响应和来自所述第二流管(210b)的第二振动响应，其中所述三个传感器(218)中的一个在所述第一流管(210a)和所述第二流管(210b)之间共用；

位于所述第一流管(210a)中的限制孔(252)，其中所述限制孔(252)确保所述第一流管(210a)中流动物质的第一流速小于所述第二流管(210b)中流动物质的第二流速；以及

连接到计量器组件(200)的所述计量器电子设备(20)，其配置成接收来自所述第一流管(210a)的第一振动响应和来自所述第二流管(210b)的第二振动响应，并从第一振动响应和第二振动响应确定流动物质密度ρ、第一质量流速

和质量流速

，并且从所述密度ρ、所述第一质量流速

和所述第二质量流速

确定流动物质的粘度。

2.根据权利要求1所述的振动式流量计(5)，所述限制孔(252)被选择用于预定流动物质粘度范围。

3.根据权利要求1所述的振动式流量计(5)，所述振动式流量计(5)包括粘度计。

4.根据权利要求1所述的振动式流量计(5)，进一步包括位于所述第二流管(210b)中的第二限制孔(252b)，所述第二限制孔(252b)不同于所述限制孔(252)。

5.根据权利要求1所述的振动式流量计(5)，所述限制孔(252)基本固定在所述计量器组件(200)中。

6.根据权利要求1所述的振动式流量计(5)，所述限制孔(252)形成在可移除孔元件(250)中。

7.根据权利要求1所述的振动式流量计(5)，所述限制孔(252)包括可控孔元件(290)的可调节限制孔(252)。

8.一种确定流动物质粘度的振动式流量计(5)，包括接收流动物质的第一部分作为第一流的第一流管(210a)、接收流动物质的第二部分作为第二流的第二流管(210b)、共用驱动器、计量器电子设备和三个传感器，所述振动式流量计(5)特征在于：

所述共用驱动器(104)配置成基本同时地振动所述第一流管(210a)和所述第二流管(210b)；

所述三个传感器(218)配置成产生来自所述第一流管(210a)的第一振动响应和来自所述第二流管(210b)的第二振动响应，其中所述三个传感器(218)中的一个在所述第一流管(210a)和所述第二流管(210b)之间共用；

限制孔(252)，其位于所述第一流管(210a)中，所述限制孔(252)小于所处位置流管直径并且所述限制孔(252)确保第一流不同于第二流；以及

所述计量器电子设备(20)配置成接收第一振动响应和第二振动响应，并且从第一振动响应和第二振动响应确定流动物质的粘度。

9.根据权利要求8所述的振动式流量计(5)，所述限制孔(252)被选择用于预定流动物质粘度范围。

10.根据权利要求8所述的振动式流量计(5)，所述振动式流量计(5)包括粘度计。

11.根据权利要求8所述的振动式流量计(5)，进一步包括位于所述第二流管(210b)中的第二限制孔(252b)，所述第二限制孔(252b)不同于所述限制孔(252)。

12.根据权利要求8所述的振动式流量计(5)，进一步包括，所述计量器电子设备(20)由第一振动响应和第二振动响应确定流动物质密度ρ、第一质量流速以及第二质量流速

13.根据权利要求12所述的振动式流量计(5)，还包括，所述计量器电子设备(20)由流动物质密度ρ、第一流的第一质量流速

以及第二流的第二质量流速

来确定流动物质的粘度。

14.根据权利要求8所述的振动式流量计(5)，所述限制孔(252)基本固定在所述第一流管(210a)中。

15.根据权利要求8所述的振动式流量计(5)，所述限制孔(252)形成在可移除孔元件(250)中。

16.根据权利要求8所述的振动式流量计(5)，所述限制孔(252)包括可控孔元件(290)的可调节限制孔(252)。

17.一种确定流动物质粘度的振动式流量计(5)，包括接收流动物质的第一部分作为第一流的第一流管(210a)、接收流动物质的第二部分作为第二流的第二流管(210b)、共用驱动器、三个或更多个传感器、和计量器电子设备，所述振动式流量计(5)特征在于：

所述共用驱动器(104)配置成基本同时地振动所述第一流管(210a)和所述第二流管(210b)；

所述三个或更多个传感器(218)配置成产生来自所述第一流管(210a)的第一振动响应和来自所述第二流管(210b)的第二振动响应；

可移除孔元件(250)，其位于所述第一流管(210a)中并包括限制孔(252)，所述限制孔(252)小于所处位置流管直径并且所述限制孔(252)确保第一流不同于第二流；以及

所述计量器电子设备(20)配置成接收第一振动响应和第二振动响应，并且从第一振动响应和第二振动响应确定流动物质的粘度。

18.根据权利要求17所述的振动式流量计(5)，所述限制孔(252)被选择用于预定流动物质粘度范围。

19.根据权利要求17所述的振动式流量计(5)，所述振动式流量计(5)包括粘度计。

20.根据权利要求17所述的振动式流量计(5)，进一步包括位于所述第二流管(210b)中的第二限制孔(252b)，所述第二限制孔(252b)不同于所述限制孔(252)。

21.根据权利要求17所述的振动式流量计(5)，进一步包括，所述计量器电子设备(20)由第一振动响应和第二振动响应确定流动物质密度ρ、第一质量流速

以及第二质量流速

22.根据权利要求21所述的振动式流量计(5)，还包括，所述计量器电子设备(20)由流动物质密度ρ、第一流的第一质量流速、以及第二流的第二质量流速

来确定流动物质的粘度。

23.根据权利要求17所述的振动式流量计(5)，所述三个或更多个传感器(218)中的一个在所述第一流管(210a)和所述第二流管(210b)之间共用。

24.一种确定流动物质粘度的振动式流量计(5)，包括接收流动物质的第一部分作为第一流的第一流管(210a)、接收流动物质的第二部分作为第二流的第二流管(210b)、共用驱动器、三个或更多个传感器、和计量器电子设备，所述振动式流量计(5)特征在于：

所述共用驱动器(104)配置成基本同时地振动所述第一流管(210a)和所述第二流管(210b)；

所述三个或更多个传感器(218)配置成产生来自所述第一流管(210a)的第一振动响应和来自所述第二流管(210b)的第二振动响应；

可控孔元件(290)，其提供与所述第一流管(210a)连通的可调节限制孔(252)，可调节限制孔(252)小于所处位置流管直径并且所述可控孔元件(290)因此确保第一流不同于第二流，其中所述可控孔元件(290)可被控制以得到多个孔构造；以及

所述计量器电子设备(20)配置成接收第一振动响应和第二振动响应，并且从第一振动响应和第二振动响应确定流动物质的粘度。

25.根据权利要求24所述的振动式流量计(5)，所述可调节限制孔(252)被选择用于预定流动物质粘度范围。

26.根据权利要求24所述的振动式流量计(5)，所述振动式流量计(5)包括粘度计。

27.根据权利要求24所述的振动式流量计(5)，进一步包括第二可控孔元件(290)，其与所述第二流管(210b)连通并包括第二可调节限制孔(252)，第二可调节限制孔(252)不同于所述可调节限制孔(252)。

28.根据权利要求24所述的振动式流量计(5)，进一步包括，所述计量器电子设备(20)由第一振动响应和第二振动响应确定流动物质密度ρ、第一质量流速

以及第二质量流速

29.根据权利要求28所述的振动式流量计(5)，还包括，所述计量器电子设备(20)由流动物质密度ρ、第一流的第一质量流速

以及第二流的第二质量流速

来确定粘度。

30.根据权利要求24所述的振动式流量计(5)，所述三个或更多个传感器(218)中的一个在所述第一流管(210a)和所述第二流管(210b)之间共用。

31.一种确定振动式流量计中流动物质粘度的方法，所述方法包括：

用限制孔部分地限制第一流管，所述第一流管传导流动物质的第一流，第二流管传导流动物质的第二流，第二流不同于第一流；

用共用驱动器振动振动式流量计的第一流管并产生第一振动响应；

基本同时地用所述共用驱动器振动振动式流量计的第二流管并产生第二振动响应；以及

使用计量器电子设备(20)接收第一振动响应和第二振动响应并从第一振动响应和第二振动响应确定流动物质粘度。

32.根据权利要求31所述的方法，所述振动式流量计包括粘度计。

33.根据权利要求31所述的方法，由第一振动响应和第二振动响应确定流动物质粘度包括由流动物质密度ρ、第一流的第一质量流速

以及第二流的第二质量流速

确定粘度。

34.根据权利要求31所述的方法，所述振动式流量计包括三个或更多个传感器，所述传感器配置成产生所述第一振动响应和所述第二振动响应，其中所述三个或更多个传感器中的一个在所述第一流管和所述第二流管之间共用。

35.根据权利要求31所述的方法，所述振动式流量计包括位于所述第一流管中的限制孔，所述限制孔小于所处位置流管直径并且所述限制孔确保第一流不同于第二流。

36.根据权利要求35所述的方法，所述限制孔被选择用于预定流动物质粘度范围。

37.根据权利要求35所述的方法，进一步包括位于所述第二流管中的第二限制孔，所述第二限制孔不同于所述限制孔。

38.根据权利要求35所述的方法，所述限制孔基本固定在计量器组件中。

39.根据权利要求35所述的方法，所述限制孔形成在可移除孔元件中。

40.根据权利要求35所述的方法，所述限制孔包括可控孔元件的可调节限制孔。

Images