CN101663566A - 用于修正流动材料的二相流的夹带（entrained）相的振动流量计和方法 - Google Patents

用于修正流动材料的二相流的夹带（entrained）相的振动流量计和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于修正流动材料中的二相流的夹带相的振动流量计(100)。振动流量计(100)包括流量计组件(10)，流量计组件(10)包括驱动器(104)，振动流量计(100)被配置为生成针对流动材料的振动响应。振动流量计(100)还包括耦合到流量计组件(10)并接收振动响应的仪表电子装置(20)。仪表电子装置(20)被配置为使用振动响应来生成二相流的测量二相密度，确定流量计组件(10)的驱动器(104)所需的计算驱动功率，并使用二相流的液体成分的液体密度、夹带相成分的夹带相密度、测量二相密度、和计算驱动功率来计算密度补偿系数。

Description

用于修正流动材料的二相流的夹带(entrained)相的振动流量计和方法
技术领域
本发明涉及振动流量计和方法，更具体而言，涉及用于修正流动材料的二相流中的夹带相的振动流量计和方法。
背景技术
诸如Coriolis质量流量计和振动密度计等振动管道传感器通常通过检测包括流动材料的振动管道的运动来工作。可以通过处理从与管道相关联的运动传感器接收到的测量信号来确定与诸如质量流量、密度等与管道中的材料相关的性质。填充振动材料的系统的振动模式一般受到包含管道和包含在其中的材料的组合质量、硬度和阻尼特性的影响。
典型的Coriolis质量流量计包括在管线或其它运输系统中嵌入式连接并在该系统中传送例如流体、浆料、乳剂等材料的一个或多个管道。每个管道可以被视为具有一组自然振动模式，包括例如简单弯曲、扭转、辐射状以及耦合模式。在典型的Coriolis质量流量测量应用中，在材料流过管道时在一个或多个振动模式下激励管道，并在沿着该管道间隔开的点处测量管道的运动。通常由致动器(例如诸如音圈型驱动器等以周期性的方式干扰管道的机电装置)来提供激励。可以通过测量传感器位置处的运动之间的时间延迟或相位差来确定质量流速。通常采用两个此类传感器(或拾取感测器)以便测量流管道(或多个管道)的振动响应，并且其通常位于致动器的上游和下游位置处。所述两个拾取感测器通过电缆，诸如通过两对独立的导线而连接到电子仪器。该仪器从两个拾取感测器接收信号并处理该信号以便导出质量流速测量。
使用流量计来执行很多种流体流的质量流速测量。其中可能能够使用Coriolis流量计的一个领域是油和气体井的计量。此类井的产物包括多相流，该多相流包括油或气体、而且还包括其它成分、包括例如水和空气、和/或固体。非常需要的是即使对于此类多相流，结果得到的计量也尽可能地精确。
Coriolis计对于单相流提供高精度。然而，当使用Coriolis流量计来测量包括夹带气体(的充气流体或流体(乳剂))时，计的精确度可能显著降低。对于夹带固体(浆料)同样是这样。
夹带空气一般作为气泡存在于流动材料中。气泡的尺寸可能根据存在的空气量、流动材料的压力和温度而改变。性能下降的程度不仅与总共存在多少气体有关，而且与流中的单个气泡的尺寸有关。气泡的尺寸影响测量的精确度。
一个重要的误差源是流体解耦(decouple)。流体解耦起因于气泡由于管的振动而相对于液体进行运动。气泡相对于液体的相对运动由与促使气泡在重力的影响下上升到表面的力类似的浮力来驱动。然而，在振动管中，促使气泡运动的是振动管的加速度而不是重力加速度。由于稠密流体比轻气泡更强地抵抗加速度，所以气泡被沿着与管加速度相同的方向加速。因此气泡比流管运动得更快且更远，且气泡运动促使某些流体流动得比流管更慢。这是解耦问题的基础。结果，具有较低振动振幅的流体经历较小的Coriolis加速度并比在没有气泡的情况下赋予流管更少的Coriolis力。这导致当存在夹带气体时流速和密度特性被低估(负流量和密度误差)。
浆料呈现出类似于解耦的问题。然而，在浆料的情况下，固体颗粒常常比液体重。在振动管的加速度下，较重的颗粒比液体运动少。这促使某些液体比振动管运动得多。结果是当存在比液体重的颗粒时液体被高估(正流量和密度误差)。在这两种情况下，由夹带相与液体之间的密度差来驱动夹带相的差动运动。如果忽略气体的压缩性，则可以使用相同的等式来描述夹带空气和颗粒两者的行为。用液体密度减去夹带相密度对于气体得出正数而对于固体得出负数。浆料的解耦仅仅是负的。为此，对于乳剂和浆料两者，将可互换地使用术语解耦。
补偿流体解耦已存在困难，因为存在确定气泡相对于液体运动多少的若干因素。流体粘滞性是一个明显因素。在粘性非常大的流体中，气泡(或颗粒)被有效地固定在流体中且几乎没有流量误差。
对气泡迁移率的另一个影响是气泡尺寸。气泡上的阻力与表面面积成比例，而浮力与体积成比例。因此，非常小的气泡具有高的阻力浮力比并趋向于与流体一起运动。小气泡因此引起小误差。相反，大气泡不会趋向于与流体一起运动且导致大的误差。这也适用于颗粒。小颗粒趋向于与流体一起运动并引起小误差。
流体与气体之间的密度差是另一因素。浮力与流体和气体之间的密度差成比例。高压气体能够具有高到足以影响浮力并降低解耦效应的密度。另外，大气泡占据更大的体积，导致流动材料的密度的真实波动。由于气体的压缩性，气泡可能在气体量方面变化，而不一定在尺寸方面变化。相反，如果压力改变，则气泡尺寸能够相应地改变，随着压力下降而膨胀或随着压力升高而收缩。这还可能引起流量计的自然或谐振频率的变化并因此引起实际二相密度的变化。
第二级因素也可能对气泡和颗粒迁移率产生影响。高流速流体中的湍流使大气泡和颗粒破碎为小的，因此降低解耦误差。表面活性剂使气泡的表面张力减小并降低其聚合的趋向。阀门能够通过增加的湍流来减小气泡尺寸，同时管线弯头能够通过借助于离心力迫使气泡合在一起来增加气泡尺寸。
在本领域中仍然需要一种检测夹带第二相材料的问题等级的振动流量计。在本领域中仍然需要一种能够在存在夹带第二相材料的情况下精确地测量流动特性的振动流量计。在本领域中仍然需要一种能够在夹带第二相材料的不同水平下精确地测量流动特性的振动流量计。
发明内容
根据本发明的实施例提供了一种用于修正流动材料的二相流中的夹带相的振动流量计。该振动流量计包括包含驱动器的流量计组件，且该振动流量计被配置为生成对流动材料的振动响应。所述振动流量计还包括耦合到流量计组件并接收振动响应的仪表电子装置。该仪表电子装置被配置为使用振动响应来确定所测量的二相流的二相密度，确定流量计组件的驱动器所消耗的计算驱动功率，并使用二相流的液体成分的液体密度、夹带成分的夹带相密度、测量二相密度、和计算驱动功率来计算密度补偿系数。
根据本发明的实施例提供了一种在振动流量计中修正流动材料的二相流中的夹带相的方法。该方法包括生成所测量的二相流的二相密度，确定振动流量计的驱动器所消耗的计算驱动功率，并使用二相流的液体成分的液体密度、夹带成分的夹带相密度、测量二相密度、和计算驱动功率来计算密度补偿系数。
根据本发明的实施例提供了一种在振动流量计中修正流动材料的二相流中的夹带相的方法。该方法包括生成所测量的二相流的二相密度，确定振动流量计的驱动器所消耗的计算驱动功率，使用二相流的液体成分的液体密度、夹带成分的夹带相密度、测量二相密度、和计算驱动功率来计算密度补偿系数，并将密度补偿系数与测量二相密度相加以提供补偿的二相密度。该方法还包括使用液体密度、夹带成分的夹带相密度、补偿二相密度、以及振动流量计的功率特性来确定预测驱动功率。该方法还包括基于预测驱动功率值与计算驱动功率之间的差来确定振动流量计的流量测量的精确度。
本发明的方面
在振动流量计的一方面，所述仪表电子装置被配置为将驱动电压与驱动电流相乘以便确定计算驱动功率。
在振动流量计的另一方面，所述仪表电子装置被配置为将拾取感测器电压与驱动电流相乘以便确定计算驱动功率。
在振动流量计的又一方面，所述仪表电子装置被配置为对等式 P computed = K × [ ( I d × E PO ) × ( E t E PO ) 2 - ( I 0 × E t ) ] 求解以便确定计算驱动功率，其中，K是比例常数，Id是测量的驱动电流，I0是零体积分数驱动电流，EPO是拾取电压，且Et是拾取目标电压。
在振动流量计的又一方面，计算密度补偿系数包括对等式
Figure G200780052828XD00042
求解，其中(ρl)是液体密度，(ρuut)是指示密度，(ρe)是夹带相密度，(ρcomputed)是计算驱动功率，且C1和C2项包括预定的仪表专用常数。
在振动流量计的又一方面，所述仪表电子装置还被配置为将密度补偿系数与测量二相密度相加以提供补偿二相密度。
在振动流量计的又一方面，所述仪表电子装置还被配置为将密度补偿系数与所测量二相密度相加以提供补偿二相密度，使用液体密度、夹带相密度、补偿二相密度以及振动流量计的功率特性来确定预测驱动功率，并基于预测驱动功率值与计算驱动功率之间的差来确定振动流量计的流量测量的精确度。
在振动流量计的又一方面，所述仪表电子装置还被配置为对等式
Figure G200780052828XD00051
求解以获得二相流的补偿体积分数，其中，ρcomp是补偿二相密度。
在振动流量计的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率与预测驱动功率相差大于预定容差，则生成警报指示。
在振动流量计的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过度的夹带相水平并进一步指示振动流量计中所需的流动条件方面的变化。
在振动流量计的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过大的气泡尺寸并进一步指示振动流量计中所需的流动条件方面的变化。
在振动流量计的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过度的固体夹带相水平并进一步指示振动流量计中所需的流动条件方面的变化。
在振动流量计的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示。
在振动流量计的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定下阈值或者如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则对补偿二相密度进行精密化。
在振动流量计的又一方面，对补偿二相密度进行精密化包括使密度补偿系数减小与计算驱动功率和所述预定下阈值之间的差成比例的量。
在振动流量计的又一方面，确定精确度还包括将预测驱动功率与计算驱动功率相比较，如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，以及如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定下阈值则通过使密度补偿系数减小与计算驱动功率和预定下阈值之间的差成比例的量来对补偿二相密度进行精密化。
在该方法的一方面，确定计算驱动功率包括将驱动电压与驱动电流相乘。
在该方法的另一方面，确定计算驱动功率包括将拾取感测器电压与驱动电流相乘。
在该方法的又一方面，确定计算驱动功率包括对等式 P computed = K × [ ( I d × E PO ) × ( E t E PO ) 2 - ( I 0 × E t ) ] 求解，其中，K是比例常数，Id是测量的驱动电流，I0是零体积分数驱动电流，EPO是拾取电压，且Et是拾取目标电压。
在该方法的又一方面，计算密度补偿系数包括对等式
Figure G200780052828XD00062
求解，其中(ρl)是液体密度，(ρuut)是指示密度，(ρcomputed)是计算驱动功率，(ρe)是夹带相密度，且C1和C2项包括预定的仪表专用常数。
在该方法的又一方面，该方法还包括将密度补偿系数与测量二相密度相加以提供补偿二相密度。
在该方法的又一方面，该方法还包括将密度补偿系数与测量二相密度相加以提供补偿二相密度，使用液体密度、夹带相密度、补偿二相密度、以及振动流量计的功率特性来确定预测驱动功率，并基于预测驱动功率值与计算驱动功率之间的差来确定振动流量计的流量测量的精确度。
在该方法的又一方面，该方法还包括对等式
Figure G200780052828XD00063
求解以获得二相流的补偿体积分数，其中，(ρcomp)是补偿二相密度。
在该方法的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率与预测驱动功率相差大于预定容差，则生成警报指示。
在该方法的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过度的夹带相水平并进一步指示振动流量计中所需的流动条件方面的变化。
在该方法的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过大的气泡尺寸并进一步指示振动流量计中所需的流动条件方面的变化。
在该方法的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过度的夹带固相水平并进一步指示振动流量计中所需的流动条件方面的变化。
在该方法的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示。
在该方法的又一方面，确定精确度还包括如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定下阈值或者如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则对补偿二相密度进行精密化。
在该方法的又一方面，对补偿二相密度进行精密化包括使密度补偿系数减小与计算驱动功率和所述预定下阈值之间的差成比例的量。
在该方法的又一方面，确定精确度还包括将预测驱动功率与计算驱动功率相比较，如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，以及如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定下阈值则通过使密度补偿系数减小与计算驱动功率和预定下阈值之间的差成比例的量来对补偿二相密度进行精密化。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的用于修正流动材料的二相流中的夹带相的振动流量计。
图2示出根据本发明的实施例的振动流量计的仪表电子装置。
图3是根据本发明的实施例的用于在振动流量计中修正流动材料的二相流的夹带相的方法的流程图。
图4是根据本发明的实施例的用于在振动流量计中修正流动材料的二相流的夹带相的方法的流程图。
图5是已在实验上确定的针对多个流体参数并在体积分数范围内的驱动功率对比气体体积分数的图表。
图6是示出计算驱动功率和预测驱动功率对比夹带相的体积分数的图表。
图7是类似于图6的计算驱动功率和预测驱动功率的图表，不同的是计算驱动功率被示为小于预测驱动功率。
具体实施方式
图1～7及以下说明描绘特定的实例以教导本领域的技术人员如何实现和使用本发明的最佳方式。为了教导本发明的原理，已将某些传统方面简化或省略。本领域的技术人员应通过这些实例认识到落入本发明的范围内的变体。本领域的技术人员应认识到可以以各种方式来将下述特征组合以形成本发明的多种变体。结果，本发明不限于下述特定示例，而是仅仅受到权利要求及其等价物的限制。
图1示出根据本发明的实施例的用于修正流体材料的二相流中的夹带相的振动流量计5。所述夹带相可以包括夹带气体。所述夹带相可以包括夹带固体。以下讨论集中于夹带气体。然而，该讨论也适用于夹带固体。
振动流量计5包括流量计组件10和仪表电子装置20。仪表电子装置20经由引线100连接到仪表组件10并被配置为通过通信路径26来提供密度、质量流速、体积流速、累计质量流量、温度及其它信息中的一个或多个的测量。对本领域的技术人员来说应显而易见的是可以在任何类型的Coriolis流量计中使用本发明，无论驱动器、拾取感测器、流管道或振动的工作模式的数目如何。另外，应认识到振动流量计5可以替换地包括振动密度计。
流量计组件10包括一对法兰101和101′、多支管102和102′、驱动器104、拾取感测器105和105′以及流管道103A和103B。驱动器104和拾取感测器105和105′连接到流管道103A和103B。
法兰101和101′附着于多支管102和102′。多支管102和102′可以附着于隔离物106的相对末端。隔离物106保持多支管102和102′之间的间距以防止管线力被传送到流管道103A和103B。当流量计组件10被插入承载被测量的流动材料的管线(未示出)中时，流动材料通过法兰101进入流量计组件10，穿过进口多支管102(在那流动材料的总量被引导进入流管道103A和103B的)，流过流管道103A和103B并退入出口多支管102′，在那里其通过法兰101′退出仪表组件10。
选择流管道103A和103B并适当地将其安装到进口多支管102和出口多支管102′以便分别绕弯曲轴W--W和W′--W′具有基本相同的质量分布、惯性动量和弹性模数。流管道103A和103B以本质上平行的方式从多支管102和102′向外延伸。
由驱动器104沿着关于各弯曲轴W和W′的相反方向并在振动流量计5的所谓第一异相弯曲模式下驱动流管道103A和103B。驱动器104可以包括多个众所周知的布置中的一个，诸如安装于流管道103A的磁铁和安装于流管道103B的反接线圈。交流电通过该反接线圈而引起两个管道震动。由仪表电子装置20经由引线110向驱动器104施加适当的驱动信号。
仪表电子装置20分别在引线111和1111上接收传感器信号。仪表电子装置20在引线110上生成引起驱动器14振荡流管道103A和103B的驱动信号。仪表电子装置20处理来自拾取感测器105和105′的左右速度信号以便计算质量流速度。通信路径26提供允许仪表电子装置20与操作员或与其它电子系统对接的输入和输出装置。图1的说明仅仅是作为Coriolis流量计的操作示例而提供的，且并不意图限制本发明的教导。
流量计组件10被配置为生成流动材料的振动响应。仪表电子装置20能够接收并处理振动响应以便生成包括二相流的流动材料的一个或多个流量测量。所述二相流可以包括夹带气体(包括夹带空气)或夹带固体。振动流量计5被配置为对夹带气体和固体进行修正以产生尽管有夹带相、但仍然可靠且精确的流量测量。在某些实施例中，仪表电子装置20可以接收并处理振动响应以便如果流量计组件10中的夹带相水平超过预定水平阈值则生成警报(参见图4和随附讨论)。该警报可以指示过度的夹带相水平。该警报可以指示过度的气泡尺寸，诸如如果气泡尺寸超过预定尺寸阈值或气体体积。该警报可以指示过度的颗粒尺寸或固体体积。该警报因此可以指示所述一个或多个流量测量已超过预定测量公差。在某些实施例中，如果所得的流量测量不够精确，则仪表电子装置20可以对修正进行精密化。
当在流动材料中存在夹带空气(或任何气体)时产生所述一个或多个流量测量时的一个常见问题。所述夹带空气可以作为各种尺寸的气泡而存在。当气泡相对较小时，它们对流量测量具有可忽略的影响。然而，随着气泡尺寸增大，流量测量误差也增大。
根据本发明的某些实施例的仪表电子装置20产生改进的流量测量。该流量测量在流动材料中存在夹带相的情况下得到改进。该流量测量在流动材料中存在夹带空气泡的情况下得到改进。该流量测量在流动材料中存在夹带固体的情况下得到改进。例如，仪表电子装置20可以产生流动材料的改进的密度测量。仪表电子装置20另外可以提供流动材料的夹带体积分数和/或其它流速测量。结果，振动流量计5可以包括振动密度计和/或Coriolis流量计。可以产生其它附加流量测量并且其在说明书和权利要求的范围内。
在一个实施例中，如所示，流管103A和103B包括基本呈U型的流管。替换地，在其它实施例中，流管可以包括基本上直的流管。然而，还可以使用其它形状，并且所述其它形状在说明书和权利要求的范围内。
在一个实施例中仪表电子装置20被配置为使流管103A和103B振动。由驱动器104来执行振动。仪表电子装置20还从拾取感测器105和105′接收所产生的振动信号。该振动信号包括流管103A和103B的振动响应。仪表电子装置20处理振动响应并确定所述一个或多个流量测量。
图2示出根据本发明的实施例的振动流量计5的仪表电子装置20。在本实施例中仪表电子装置20包括可以耦合到引线100(而且可选地耦合到通信路径26)的接口201。仪表电子装置20还包括处理系统203。处理系统203可以包括任何方式的处理系统，包括通用或专用处理器、电路等等。处理系统203从流量计组件10接收信号并处理该信号，诸如来自拾取感测器105和105′的振动响应。处理系统203还可以生成信号并将其传输到流量计组件10，诸如向驱动器104供应功率的驱动信号。
仪表电子装置20还包括存储信息的存储系统204。存储系统204可以集成到处理系统203或与之分离。例如，存储系统204可以存储振动响应211、测量二相密度212、液体密度2132、计算驱动功率214、密度补偿系数215、补偿二相密度216、预测驱动功率217以及夹带相密度218。其它信息可以被存储在存储系统204中，包括下面所讨论的值。
振动响应211可以包括流量计组件10的振动响应。振动响应211包括已经过处理以获得流量测量的拾取信号。振动响应211因此可以包括流量测量，包括质量流速和体积流速中的一个或多个。流速可以被存储为振动响应211的一部分或者可以存储在单独的值。
测量二相密度212包括从拾取感测器105和105′获得的密度测量。测量二相密度212包括如本领域中所已知的那样生成的流量计组件10中的二相流的密度测量。结果，随着二相流中的夹带空气量增加，测量二相密度212的精确度降低。
液体密度213包括二相流的液体成分的已知密度。液体密度213可以包括基于液体成分的存储值或常数。
夹带相密度218包括二相流的夹带第二相成分的已知密度(ρe)。夹带相密度218可以包括基于夹带成分的存储值或常数。
计算驱动功率214包括驱动器104所需的电功率。根据夹带空气的量，驱动器104可以接收或可以不接收所有的所需电功率。计算驱动功率214可以包括由处理系统203存储的计算或测量值。计算驱动功率214可以包括与驱动电压相乘的驱动电流(即通过驱动器104的电流与驱动器处的电压相乘)。替换地，在驱动器104处的电压未经测量或相反已知的情况下，计算驱动功率214可以包括与拾取感测器之一处的拾取电压相乘的驱动电流。然而，这种方法也具有缺点，因为驱动电流通常不是无限的，且即使可能需要，也可能不增加至超过一定的水平。因此，可以根据其它值来计算所述计算驱动功率214(参见下面的图3的步骤302)。
例如，密度补偿系数215包括将针对诸如夹带气体等夹带相的影响来补偿测量二相密度212的补偿系数。然而，气体可以改变且密度补偿系数215可以补偿任何气体或气体混合物。密度补偿系数215说明夹带气体的存在。密度补偿系数215说明夹带气体的各种水平。
补偿二相密度216包括二相流的密度值。在某些实施例中，补偿二相密度216包括与密度补偿系数215组合的测量二相密度212。
预测驱动功率217包括期望被具有平均气泡尺寸或其它期望流体参数(诸如平均粘度、液体密度等)的补偿二相密度所吸收的驱动功率。预测驱动功率217包括使用补偿二相密度216计算的驱动功率。
在操作中及根据一个实施例，处理系统203接收振动响应211，由该振动响应生成测量二相密度212，并至少在密度方面对夹带相进行修正(参见图3～4和随附讨论)。
图3是根据本发明的实施例的用于在振动流量计中修正流动材料的二相流中的夹带相的方法的流程图300。在步骤301中，振动流量计测量二相流的密度以获得测量二相密度。如前文所讨论的，根据流动材料的夹带相水平、流速、及其它参数，测量二相密度可以具有各种程度的误差。
在步骤302中，确定计算驱动功率。计算驱动功率是振动流量计的驱动器为了使流管道振动所需的电功率。在一个实施例中可以通过将驱动电流与驱动电压相乘来确定计算驱动功率。替换地，可以通过将驱动电流与拾取感测器之一处存在的拾取电压相乘来确定计算驱动功率。该拾取感测器电压可以包括驱动电压的可接受代用品，因为在振动流量计中通常不测量或确定驱动电压，而拾取感测器电压经过测量且已知。
然而，驱动流管道所需的功率与振动振幅的平方成比例。因此，当目标幅度加倍时，达到该目标振动振幅所需的功率变成四倍。遗憾的是，驱动电流(Id)将不超过相关电源的电流能力且驱动器可能不一定接收所需的驱动电流水平以便适当地驱动流管道，尤其是当在二相流中存在大的夹带相水平时。因此，计算驱动功率可以包括驱动器为了完全使流管道振动所需的功率，而不是驱动器所消耗的功率。因此，驱动器可能需要比供应的功率更多的功率。
根据本实施例计算的计算驱动功率包括完全使流管道振动所需的功率，即使当可用电流不足时。根据以下等式来计算所述计算驱动功率。
P computed = K × [ ( I d × E PO ) × ( E t E PO ) 2 - ( I 0 × E t ) ] - - - ( 1 )
其中(K)项是振动流量计的比例常数，(Id)项是测量驱动电流，(I0)项是零体积分数的驱动电流(诸如校准电流)，(EPO)是测量的拾取电压，且(Et)项是拾取目标电压。等式(1)的解确定由于夹带相的存在而得到的计算驱动功率。
项(Id×EPO)是与消耗的总驱动功率成比例的功率项。严格地说，应使用驱动EMF电压而不是拾取电压(EPO)来计算驱动功率。然而，驱动EMF难以测量，同时容易测量的拾取电压(EPO)与驱动EMF成比例。因此，在等式中可以采用拾取电压(EPO)。拾取电压(EPO)与驱动电流(Id)的此乘积与使流管振动所需的功率成比例。拾取目标电压(Et)对应于指定的振动振幅目标。通常调节驱动电流(Id)以将拾取电压保持在其目标电压并因此将振动振幅保持在其目标振幅。然而，穿过液体的夹带气泡或夹带固体向振动流管施加大的阻尼力，因此常常在拾取电压(EPO)达到其目标电压(Et)之前达到驱动电流极限。当发生这种情况时，拾取电压(EPO)小于目标电压(Et)且振动振幅小于其目标。
振幅比项
Figure G200780052828XD00131
针对由于驱动电流到达其极限而引起的振动振幅的减小来调整驱动功率。换言之，在等式(1)中计算的功率是使振动振幅保持在其目标所需的功率，即使此功率不可用。当振动振幅在其目标时，则EPO＝Et且电压比项等于1。等式(1)中的最终项、I0×Et项是在不存在第二相(气体或固体)的情况下驱动流量计所需的零空隙分数功率。此项可以包括工厂校准功率值。必须用总功率减去零空隙分数功率，因为纯液体产生非常少的或不产生质量流量误差。因此等式(1)计算由于夹带相而产生的功率增加。此增加大致上与由于该相而引起的误差成比例。可以在工厂校准期间确定零体积分数功率。
在步骤303，计算密度补偿系数。可以根据以下等式来计算该密度补偿系数：
Figure G200780052828XD00132
其中(ρuut)相是仪表未修正(即测量或指示)密度，(ρl)是已知液体密度，(ρcomputed)相是根据等式(1)计算的驱动功率。通过未修正体积分数
Figure G200780052828XD00133
的函数来修正未修正密度(ρuut)，其中(ρe)是夹带相密度。对于特定的流量计类型，可以确定常数(C1)和(C2).对于一种流量计类型，可以通过实验将该常数确定为C1＝0.66和C2＝0.0015。然而，应理解的是这两个常数可以根据流量计尺寸、类型等而改变。
可以从计算驱动功率的仪表输出参数和指示/测量体积分数导出密度补偿等式(2)。应注意的是液体密度(ρl)和夹带成分密度ρe必须是已知的以便从测量二相密度获得未修正体积分数。请注意，如果夹带成分在低压下是气体，则其密度可以近似为零，几乎没有或没有补偿中的退化。还请注意，每种仪表类型可能需要唯一的补偿等式。
在步骤304，将密度补偿系数与步骤301的测量二相密度组合以便获得补偿二相密度(ρcomp)。该补偿二相密度比测量二相密度更准确地反映二相流的密度。补偿二相密度使夹带气体对流特性测量的影响最小化。补偿二相密度使较大气泡对流特性测量的影响最小化。
图4是根据本发明的实施例的用于在振动流量计中修正流动材料的二相流的夹带相的方法的流程图400。在步骤401，如前文所讨论的，振动流量计测量二相流的密度以获得测量二相密度。
在步骤402，如前文所讨论的，确定计算驱动功率。
在步骤403，如前文所讨论的，计算密度补偿系数。
在步骤404，如前文所讨论的，将密度补偿系数与步骤401的测量二相密度组合以便获得补偿二相密度。
在步骤405，确定预测驱动功率。该预测驱动功率使用补偿二相密度来生成驱动功率预测。可以使用补偿二相密度并根据以下等式来生成预测驱动功率(Y)：
Y＝[(C3)x4+(C4)x3-(C5)x2+(C6)x]×(ρl-ρe)2    (3)
其中x是补偿气体体积分数
Figure G200780052828XD00141
ρcomp是补偿密度，且(ρe)是夹带相密度。
图5是已经在实验上确定的针对多个流体参数并在体积分数范围内的驱动功率对比气体体积分数的图表。该图表反映上述等式(3)。可以使用该图表/等式来基于已经执行的补偿导出预测驱动功率。图表中的下方线是针对若干较小尺寸的气泡的实际计算驱动功率图且上方线是针对若干较大尺寸的气泡。从图表中可以看出对于相同的气体空隙分数而言较大气泡需要更多的驱动功率。从图表中还可以看出对于特定的流量计型号可以在实验中确定特性功率曲线。使用由在前密度补偿过程产生的气体体积分数值，可以使用特性曲线来导出预测驱动功率。
通过插入补偿体积分数(VFcompensated)值(图表中的x项)，可以通过等式(3)来获得预测驱动功率(图表中的Y项)。补偿体积分数可以包括气相或固相关于液相的体积分数。补偿体积分数(VFcompensated)表示为
Figure G200780052828XD00142
因此，等式(3)以补偿体积分数的形式使用密度补偿系数来提供预测驱动功率(Y)。另外，使用振动流量计的功率特性(常数C3至C6)来导出预测驱动功率。该功率特性可以存储在仪表电子装置中或者可以在外部提供。对于每种振动流量计型号，可能需要独立地导出该功率特性。
再次参照图4，在步骤406中，将预测驱动功率与计算驱动功率相比较。这样做是为了确定流量测量的精确度。如果计算驱动功率在预测驱动功率的预定容差之内，则可以将流量测量确定为可接受的精确。如果不是，则可以生成警报指示。
大夹带气泡和低流速的条件遭遇解耦误差，以及除解耦误差之外的误差。此条件称为流动不对称性且是气泡对重力的响应的结果。如果气泡相对于流体上升的速度比得上流体速度，则气体缓慢并聚积在任何向下流动的流管区中且快速通过任何向上流动的流管区。气体分布的这种不对称性导致仪表中的非典型气体体积分数并进一步引起向下流动的流管区中的过度管阻尼。结果，不能预期在这些条件下的解耦补偿消除流量和密度误差且需要识别这些条件以便进行输出警告或进一步补偿。
对于非常小的气泡和较高流速的条件，流动不对称性误差减小，因为小气泡趋向于被流体携带(高拖曳浮力比)。理想的是，能够识别这种气泡类型以便以不同的方式进行补偿。
对于浆料，存在类似的流动不对称性条件。大颗粒和低流速可以导致颗粒沉积在仪表中的低点处。这引起仪表中的非典型固体体积分数、过度阻尼和不能补偿的流量和密度误差。此不对称条件也需要识别且需要输出警告。
在步骤407，如果计算驱动功率在预测驱动功率的预定容差量内，则将补偿密度测量视为精确且补偿到此为止。否则，流量测量已变得不可接受的不精确。因此，方法继续进行到步骤408。
在步骤408，如果计算驱动功率超过预测驱动功率多于预定上阈值，则该方法分支到步骤409。否则，在计算驱动功率小于预测驱动功率多于预定下阈值的情况下，则方法分支到步骤410。
图6是示出计算驱动功率和预测驱动功率对比夹带相的体积分数的图表。在图6中，将计算驱动功率示为大于预测驱动功率。预测驱动功率是标称(nominal)夹带气泡尺寸、流体粘度及诸如流速等其它参数所需的功率。密度补偿系数同样是针对标称流体混合物参数而确定的。因此，如果计算驱动功率不同于预测驱动功率，则补偿密度不同于二相混合物的真实密度。例如，诸如大气泡尺寸和低粘度等条件消耗比预测功率更多的功率，而且产生比补偿系数修正更多的误差。功率与密度误差之间存在相关性，因为损耗振动能量的同一机制、流体解耦产生密度误差。因此，预测功率与计算功率之间的差充当补偿精确度的检查。在本示例中，计算驱动功率大于预测驱动功率多于预定上阈值(虚线)。因此，可以将补偿密度测量视为不可接受的不精确。当发生这种情况时，可以诸如通过将流量混合或增加流速或压力来触发指示需要改变流动条件的警报。而且，直至上阈值为止，对于较高的解耦条件，可以改变补偿系数等式。
图7是类似于图6的计算驱动功率和预测驱动功率的图表，不同的是计算驱动功率被示为小于预测驱动功率。当流体解耦的量小于针对用来确定预测功率的标称条件的流体解耦量时，存在这种条件。在本示例中，计算驱动功率小于预测驱动功率超过预测下阈值(虚线)。因此，补偿二相密度尚不十分精确。因此，可以对补偿系数等式进行精密化以反映较低的解耦量。经修改的补偿系数产生更精确的补偿二相密度并促使计算驱动功率更紧密地跟随预测驱动功率。
再次参照图4，在步骤409中，如果计算驱动功率大于预测驱动功率多于预定上阈值，则生成警报指示。可以生成该警报指示以便警告操作员正在发生不利的流动条件。可以生成该警报指示以便警告流量测量已变得不可靠。可以生成警报指示以便对过度的夹带相水平进行警告，诸如过多固体或过度固体颗粒尺寸、或夹带气体情况下的过度气泡尺寸。另外，可以生成警报指示以便提示流动条件的变化。例如，警报指示可以提示流速、流动压力或其它流动条件的变化。在某些实施例中，可以存储和/或传输该警报条件，诸如将其传输到能够改变流动条件的操作员或技术员。
在步骤410，如果计算驱动功率小于预测驱动功率，则可以对补偿二相密度进行精密化以便改进流量测量的精确度和可靠性。在某些实施例中，通过减小密度补偿系数来对补偿二相密度进行精密化。在某些实施例中，使密度补偿系数减小与计算驱动功率和预定下阈值之间的差成比例的量。

Claims (46)

1.一种用于修正流动材料的二相流的夹带相的振动流量计(100)，包括流量计组件(10)，流量计组件(10)包括驱动器(14)，振动流量计(100)被配置为生成针对流动材料的振动响应，并且还包括耦合到流量计组件(10)并接收振动响应的仪表电子装置(20)，该振动流量计(100)的特征在于：
仪表电子装置(20)被配置为使用振动响应来生成二相流的测量二相密度，确定流量计组件(10)的驱动器(104)所需的计算驱动功率，并使用二相流的液体成分的液体密度、夹带成分的夹带相密度、测量二相密度、和计算驱动功率来计算密度补偿系数。
2.权利要求1的振动流量计(100)，其中，仪表电子装置(20)被配置为将驱动电压与驱动电流相乘以便确定计算驱动功率。
3.权利要求1的振动流量计(100)，其中，仪表电子装置(20)被配置为将拾取感测器电压与驱动电流相乘以便确定计算驱动功率。
4.权利要求1的振动流量计(100)，其中，仪表电子装置(20)被配置为对等式 P computed = K × [ ( I d × E PO ) × ( E t E PO ) 2 - ( I 0 × E t ) ] 求解以便确定计算驱动功率，其中，K是比例常数，Id是测量的驱动电流，I0是零体积分数驱动电流，EPO是拾取电压，且Et是拾取目标电压。
5.权利要求1的振动流量计(100)，其中，计算密度补偿系数包括对等式 ( ρ l - ρ uut ρ l - ρ e ) C 1 × C 2 ( P computed ) 求解，其中，(ρ1)是液体密度，(ρe)是夹带相密度，(ρuut)是测量二相密度，(ρcomputed)是计算驱动功率，且C1和C2项包括预定的仪表专用常数。
6.权利要求1的振动流量计(100)，其中，仪表电子装置(20)还被配置为将密度补偿系数与测量二相密度组合以提供补偿二相密度。
7.权利要求1的振动流量计(100)，其中，仪表电子装置(20)还被配置为将密度补偿系数与测量二相密度组合以提供补偿二相密度，使用液体密度、夹带相密度、补偿二相密度以及振动流量计(100)的功率特性来确定预测驱动功率，并基于预测驱动功率值与计算驱动功率之间的差来确定振动流量计(100)的流量测量的精确度。
8.权利要求7的振动流量计(100)，其中，仪表电子装置(20)还被配置为对等式
Figure A2007800528280003C1
求解以获得二相流的补偿体积分数，其中，(ρcomp)是补偿二相密度。
9.权利要求7的振动流量计(100)，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率与预测驱动功率相差超过预定容差，则生成警报指示。
10.权利要求7的振动流量计(100)，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过度的夹带相水平并进一步指示振动流量计中的流动条件的所需变化。
11.权利要求7的振动流量计(100)，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过大的气泡尺寸并进一步指示振动流量计中的流动条件的所需变化。
12.权利要求7的振动流量计(100)，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过度的固体夹带相水平并进一步指示振动流量计中的流动条件的所需变化。
13.权利要求7的振动流量计(100)，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则产生警报指示。
14.权利要求7的振动流量计(100)，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定下阈值或者如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则对补偿二相密度进行精密化。
15.权利要求14的振动流量计(100)，其中，对补偿二相密度进行精密化包括使密度补偿系数减小与计算驱动功率和预定下阈值之间的差成比例的量。
16.权利要求7的振动流量计(100)，其中，确定精确度还包括将预测驱动功率与计算驱动功率相比较，如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，以及如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定下阈值则通过使密度补偿系数减小与计算驱动功率和预定下阈值之间的差成比例的量来对补偿二相密度进行精密化。。
17.一种用于在振动流量计中修正流动材料的二相流中的夹带相的方法，该方法包括生成二相流的测量二相密度，该方法的特征在于：
确定振动流量计的驱动器所需的计算驱动功率；以及
使用二相流的液体成分的液体密度、夹带成分的夹带相密度、测量二相密度、和计算驱动功率来计算密度补偿系数。
18.权利要求17的方法，其中，确定计算驱动功率包括将驱动电压与驱动电流相乘。
19.权利要求17的方法，其中，确定计算驱动功率包括将拾取感测器电压与驱动电流相乘。
20.权利要求17的方法，其中，确定计算驱动功率包括对等式
Figure A2007800528280004C1
求解，其中，K是比例常数，Id是测量的驱动电流，I0是零体积分数驱动电流，EPO是拾取电压，且Et是拾取目标电压。
21.权利要求17的方法，其中，计算密度补偿系数包括对等式
Figure A2007800528280004C2
求解，其中，(ρ1)是液体密度，(ρuut)是测量二相密度，(ρe)是夹带相密度，(ρcomputed)是计算驱动功率，且C1和C2项包括预定的仪表专用常数。
22.权利要求17的方法，还包括将密度补偿系数与测量二相密度组合以提供补偿二相密度。
23.权利要求17的方法，还包括：
将密度补偿系数与测量二相密度组合以提供补偿二相密度；
使用液体密度、夹带相密度、补偿二相密度、以及振动流量计的功率特性来确定预测驱动功率；以及
基于预测驱动功率值与计算驱动功率之间的差来确定振动流量计的流量测量的精确度。
24.权利要求23的方法，还包括对等式
Figure A2007800528280004C3
求解以获得二相流的补偿体积分数，其中，(ρcomp)是补偿二相密度。
25.权利要求23的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率与预测驱动功率相差超过预定容差，则生成警报指示。
26.权利要求23的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过度的夹带相水平并进一步指示振动流量计中的流动条件的所需变化。
27.权利要求23的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过大的气泡尺寸并进一步指示振动流量计中的流动条件的所需变化。
28.权利要求23的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过度的夹带固相水平并进一步指示振动流量计中的流动条件的所需变化。
29.权利要求23的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示。
30.权利要求23的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定下阈值或者如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定上阈值，则对补偿二相密度进行精密化。
31.权利要求30的方法，其中，对经补偿的二相密度进行精密化包括使密度补偿系数减小与计算驱动功率和所述预定下阈值之间的差成比例的量。
32.权利要求23的方法，其中，确定精确度还包括：
将预测驱动功率与计算驱动功率相比较；
如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示；以及
如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定下阈值，则通过使密度补偿系数减小与计算驱动功率和所述预定下阈值之间的差成比例的量来对补偿二相密度进行精密化。
33.一种用于在振动流量计中修正流动材料的二相流中的夹带相的方法，该方法包括生成二相流的测量二相密度，该方法的特征在于：
确定振动流量计的驱动器所需的计算驱动功率；
使用二相流的液体成分的液体密度、夹带成分的夹带相密度、测量二相密度、和计算驱动功率来计算密度补偿系数；
将密度补偿系数与测量二相密度组合以提供补偿二相密度；
使用液体密度、夹带相密度、补偿二相密度、以及振动流量计的功率特性来确定预测驱动功率；以及
基于预测驱动功率值与计算驱动功率之间的差来确定振动流量计的流量测量的精确度。
34.权利要求33的方法，其中，确定计算驱动功率包括将驱动电压与驱动电流相乘。
35.权利要求33的方法，其中，确定计算驱动功率包括将拾取感测器电压与驱动电流相乘。
36.权利要求33的方法，其中，确定计算驱动功率包括对等式
Figure A2007800528280006C1
求解，其中，K是比例常数，Id是测量的驱动电流，I0是零体积分数驱动电流，EPO是拾取电压，且Et是拾取目标电压。
37.权利要求33的方法，其中，计算密度补偿系数包括对等式
Figure A2007800528280006C2
求解，其中，(ρ1)是液体密度，(ρe)是夹带相密度，(ρuut)是测量二相密度，(ρcomputed)是计算驱动功率，且C1和C2项包括预定的仪表专用常数。
38.权利要求33的方法，还包括对等式
Figure A2007800528280006C3
求解以获得二相流的补偿体积分数，其中，(ρcomp)是补偿二相密度。
39.权利要求33的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率与预测驱动功率相差超过预定容差，则生成警报指示。
40.权利要求33的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过度的夹带相水平并进一步指示振动流量计中的流动条件的所需变化。
41.权利要求33的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过大的气泡尺寸并进一步指示振动流量计中的流动条件的所需变化。
42.权利要求33的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示，指示过度的夹带固相水平并进一步指示振动流量计中的流动条件的所需变化。
43.权利要求33的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示。
44.权利要求33的方法，其中，确定精确度还包括如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定下阈值或者如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定上阈值，则对补偿二相密度进行精密化。
45.权利要求44的方法，其中，对补偿二相密度进行精密化包括使密度补偿系数减小与所计算的驱动功率和所述预定下阈值之间的差成比例的量。
46.权利要求33的方法，其中，确定精确度还包括：
将预测驱动功率与计算驱动功率相比较；
如果计算驱动功率大于预测驱动功率超过预定上阈值，则生成警报指示；以及
如果计算驱动功率小于预测驱动功率超过预定下阈值，则通过使密度补偿系数减小与所计算的驱动功率和所述预定下阈值之间的差成比例的量来对补偿二相密度进行精密化。
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