CN102348958B - 用于监测和/或测量在管线内流动的两相或多相介质的壁流的方法和涡流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测和/或测量在管线内流动的至少两相的介质的方法；其中该介质具有第一密度的第一相，尤其为气态第一相，和具有不同于第一密度的第二密度的第二相，尤其为液态第二相。所述方法使用涡流测量装置(2)，该涡流测量装置(2)包括插入管线内的至少一个测量管(4)、阻流体(8)以及涡流传感器(14)。涡流传感器(14)包括敏感部分(16)，该敏感部分(16)响应于压力波动并布置为至少部分邻接测量管(4)的壁。在公开的方法中，当涡流传感器(14)记录包含沿测量管(4)的壁流动的第二相的流动介质的壁流与第一涡流传感器(14)的敏感部分(16)相互作用的特征的测量信号时，涡流测量装置(2)检测到两相或多相介质的第二相的壁流。

Description

用于监测和/或测量在管线内流动的两相或多相介质的壁流的方法和涡流测量装置

技术领域

本发明涉及一种监测和/或测量在管线内流动的至少有时两相的介质的方法；其中该介质具有第一密度的第一相尤其为气态第一相，且具有不同于第一密度的第二密度的第二相尤其为液态第二相。该方法通过伸进流动介质内的阻流体和尤其放置在阻流体下游或阻流体内的涡流传感器来实施。本发明还涉及一种相应地实施的涡流测量装置。

背景技术

涡流测量装置常常应用于测量管线内流体、尤其是高温范围内的气流或蒸气流的流量。在这种涡流测量装置中，阻流物设置在流动路径内，使得流体可在阻流物两侧上流过。在这类情况下，漩涡在阻流物两侧上脱落。在宽的雷诺数范围内，在这种情况下，漩涡交替地在阻流物的两侧上脱落，从而产生漩涡的交错布置。该漩涡的交错布置称为卡门涡街。在这样的情况下，在这种涡流测量装置中，利用的原理是形成这些漩涡的漩涡脱落频率(所谓的涡流频率)在宽雷诺数范围内与相应流体的流速成比例。因而，可从记录的涡流脱落频率(在下文中称为涡流频率)和用于特定类型涡流测量装置的特征校准因子确定流速。

在这样的情况下，涡流测量装置通常具有测量管，在其流动路径中布置有阻流体作为阻流物。在该情况下，阻流体通常在直径方向上完全跨过或者在测量管的内部横截面的相当大部分上延伸，使得流体可流过阻流体的两侧。在该情况下，通常支持漩涡脱落的至少两个脱落边缘形成在阻流体的两侧上。在使用期间，测量管插入应测量其流体流的管线内，从而流体流流过测量管并至少部分地反抗阻流体。

此外，涡流测量装置通常包括至少一个涡流传感器，该涡流传感器响应于由漩涡产生的压力波动。该涡流传感器布置在两个脱落边缘的下游。在该情况下，涡流传感器可尤其是作为单独的部件布置在阻流体内或阻流体下游。由涡流传感器记录的压力波动被转换成电测量信号，该电测量信号的频率与流体的流速成正比。如果流体的密度是另外确定或如果是已知的，则可从流速和密度来计算流体的质量流量。

上述类型的涡流测量装置首先用于测量单相的介质，尤其是流体(液体、气体)。然而，在特定应用中，也能够发生在流动测量中存在两种或更多种材料，尤其是不同密度和成分的两种或更多种流体。在该情况下，这可包括同时以两相或聚集状态存在的相同材料(例如水)。

为了简化的目的，在下文中讨论在管线内流动的两相或多相介质的第一相和第二相，其中第一相和第二相代表具有最大质量流量分量的两个主要的相。其它相可包含在一个或两个相内，尤其是作为固体颗粒。

在这种情况下流动的两相或多相介质的第一相和第二相可以分别是相同材料的不同聚集状态，例如在蒸汽中的水冷凝，或者也可以是两种不同材料，诸如液体中夹带的沙等。第一相和第二相尤其均为流体(液体、气体)。在该情况下，壁流还可由多于仅一种物质，尤其是两种不同材料形成。以下描述的其它改进情况中，在每种情况下参照该变型，即使没有每次清楚地指出(通过“至少第二相”的陈述指出)。本发明尤其可应用于两相的这种混合的情况，在该情况下，两相不(或仅轻微)混合，且两相之间的密度差非常大，从而在通过管线的流动的情况下，在以水平或倾斜方式延伸的管线的情况下，第二相至少部分地作为尤其沿下部管壁部分的壁流流动。本发明尤其涉及第二相是在底部上流动的流体且第一相是气体的情况下的这种组合。

已知，在涡流测量装置中，出现两种或多种介质致使从涡流频率确定的流速的测量误差。

发生管线内流动的具有两种不同相的介质的实例是在气体管线内形成液体细流。在该情况下，作为壁流沿相应管线的壁流动的液体称为液体细流，或通常称为细流。该情况还尤其与蒸气管线(蒸汽管线)相关，其中水组成的壁流可形成为第二相。但是，除了气体管线内的液体细流，也可携带能够在液体流中流动的固体(诸如沙)，使得沙流(与液体混合)沿各管线的壁流动，类似于上述液体细流的情况。如果流过的管线水平或倾斜(相对于重力方向)布置，且壁流(第二相的壁流)具有比在管线内传送的第一相高的密度，则壁流通常沿管线的壁的下部流动。

在这样的情况下，对于多种应用，理想的是可靠而没有显著增加成本地检测第一相流内的第二相的发生，且在给定情况下，还确定第二相的比例，尤其是其质量流量。特别是在较长距离输送蒸汽的应用中。在管线内供应热蒸汽用在尤其用于提供能量的工业厂房中，其中为此目的，要求对应于低分量的液体水的高蒸汽量。在该情况下，尤其常常要求蒸汽质量大于95％。在该情况下，蒸汽质量被给出为蒸汽分量的质量流量与由蒸汽和冷凝水组成的总质量流量的比值。在管线内传输的热蒸汽也适用于石油输送领域。

存在可在管线内传输可流动的两相或多相介质的第二相的各种基础方法。如已经解释的，第二相也作为沿相关管线的壁的壁流(尤其是细流)。此外，第二相也可作为液滴或颗粒被携带在相对均匀地分布在第一相中的流中。两种类型的第二相流根据环境也可同时发生或每一个仅单独发生。除了这两个流状态，也有其它已知状态，诸如柱塞流或泡状流。

如随后更详细解释的，本发明主要涉及沿管线的壁流动的第二可流动相的壁流的可靠和迅速的检测的问题，尤其是细流的检测。

在公开US2006/0217899A1中，描述了一种用于通过布置在管线内的流测量装置监测管线内流体流的方法。在这种情况下，在信号的宽带频率范围分析信号性质(本质上是RMS值(均方根))，以便于检测两相流的发生。在这种情况下，在不同类型的流之间不进行区分，尤其是上述两种类型的流。在公开US2006/0217899A1中，尤其指出，为了确定第二相，明确地考虑不在想要的信号频率范围内的那些波动，且传统上为了更好地记录想要的信号而抑制那些波动。具体来说，在公开US2006/0217899A1中，确定利用涡流测量装置的高频信号分量计算作为宽带区域的信号频谱的RMS值的信号幅值随着第二相流的增加而减小。因而，在校准的背景下，提出使从频谱确定的宽带RMS值、记录的涡流频率与第二相的流率相互关联，以便于能够在使用期间从测量的信号幅值和记录的涡流频率确定第二相的流率。公开US2006/0217899A1中描述的方法的缺点在于，在给定情况下，通常以振动形式发生的干扰可强烈地破坏宽带RMS值，且第二相的确定检测随之而不确定。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法以及涡流测量装置，通过该方法和涡流测量装置可可靠地、迅速地且在无需显著成本的情况下监测在管线内流动的至少有时两相的介质，其中该介质具有第一密度的第一相，尤其是气态的第一相，；以及具有与第一密度不同的第二密度，尤其是液态的第二相；其中第二相主要以壁流的形式，尤其是细流形式沿管线的壁流动。

该目的通过如权利要求1限定的方法以及权利要求15限定的涡流测量装置来实现。本发明的其它有益改进由从属权利要求阐述。

在本发明中，提供一种监测和/或测量在管线内流动的至少有时两相的介质的方法；其中该介质具有第一密度的第一相，尤其为气态第一相，和具有不同于第一密度的第二密度的第二相，尤其为液态第二相。该方法借助于伸进流动介质内的阻流体和尤其放置在阻流体下游或阻流体内的涡流传感器来实施。本发明还包括与涡流传感器匹配的涡流测量装置。该方法还包括以下步骤：

a)借助于至少在涡流传感器附近的阻流体在流动介质内产生卡门漩涡，其中漩涡通过阻流体以取决于流动介质的瞬时流速的涡流脱落频率(涡流频率)脱落；

b)允许流动介质的第二相的至少一部分沿涡流传感器附近的壁流动；

c)借助于涡流传感器记录由流动介质内卡门漩涡产生的周期压力波动来产生对应于压力波动的传感器信号；

d)从传感器信号选择想要的信号分量，该想要的信号分量具有频率带，尤其是包含涡流脱落频率的窄频率带、尤其是具有小于瞬时涡流脱落频率的50％的相对带宽的频率带，其中瞬时涡流脱落频率对应于频率带的中心频率，以及

e)利用从传感器信号选择的想要的信号分量，尤其基于想要的信号分量的幅值曲线的标准偏差和/或基于想要的信号分量的峰度检测流动介质的第二相的存在。

根据这一点，本发明使得能够使用涡流测量装置，在使用期间通过该涡流测量装置，可从所记录涡流的涡流频率确定可流动的两相或多相介质，尤其是第一相的气体的流速，还同时快速(即在线)检测流动的两相的介质的沿着测量管的壁的第二相的壁流，尤其是细流的发生。例如，为了检测第二相的壁流，在该情况下不需要额外的装置。因而，部件的数量和相关成本可保持较低。细流的检测尤其实现为将敏感部分布置为至少部分邻接测量管的壁，使得在第二介质的壁流流过的情况下，第二介质可与敏感部分相互作用。除了第一相的流动介质的涡流的特征被测变量(涡流频率)之外，通过敏感部分，还可相应地记录通过与壁流相互作用而产生的第二相的特征。这导致测量信号，该测量信号包含第一相的被测变量以及第二相的被测变量。基于该测量信号，可方便地检测是否存在第二相的壁流。这也可例如通过涡流测量装置自动地进行，并为用户现场显示，或以其它方式发送信号，例如在远离测量装置的控制室中。

除了本文明确提到的特定特征之外，涡流测量装置可基本上以各种方式，尤其是本领域状态已知的方式构成。基本构造可尤其对应于引言部分中解释的涡流测量装置。如上所述，在该情况下，第一涡流传感器的敏感部分布置为至少部分邻接测量管的壁。在该情况下，术语“邻接布置”包括敏感部分直接在测量管的壁处开始情况下的布置以及敏感部分与测量管的壁隔开小距离，使得在典型发生壁流的情况下，壁流的厚度大于敏感部分到壁的距离，且因此会发生壁流与敏感部分的相互作用的布置。此外，敏感部分在测量管的内部空间的方向上延伸，使得也发生与流动的两相或多相介质的第一相的流动的相互作用。在该情况下，特别设置成敏感部分平行于阻流体延伸，并相对于流动方向布置为与阻流体对准。

测量信号包含沿测量管的壁流动的两相或多相介质的第二相的壁流与第一涡流传感器的敏感部分的相互作用的特征，尤其是一般认为测量信号具有与流动的两相或多相介质的第一相的纯流动情况的测量信号相比的特征偏差；其中这些特征偏差是由于流动的两相或多相介质的第二相的壁流与第一涡流传感器的敏感部分相互作用而产生的。在该情况下，由于敏感部分的布置，该相互作用是直接的，这意味着壁流直接流过敏感部分(在给定情况下，与敏感部分接触)并因此触发由敏感部分记录的压力波动。

在有利的进一步改进中，测量管与竖直方向成角度布置，尤其是水平地布置，且第一涡流传感器的敏感部分布置在测量管的下半部，尤其是布置在位于最下方的测量管的最下表面元件处。通过测量管的这种水平或倾斜布置，第二相的壁流主要集中在测量管的下半部内。因而，通过敏感部分在测量管下半部内，尤其是在测量管的最下表面元件处的针对性布置，可确保第二相的壁流可由涡流测量装置检测到。在该情况下，测量管可水平地布置，即垂直于重力方向，或基本上垂直于重力方向，使得重力不影响或不显著影响第二相的流速。

在有利的进一步改进中，涡流传感器的敏感部分由摆动部分形成，该摆动部分可通过由阻流体处脱落的漩涡引起的压力波动以摆动运动移位。在该情况下，通过记录摆动部分的摆动运动并且将其转换成电测量信号来产生电测量信号。在该情况下，转换优选地以这样的方式进行：作为时间的函数的电测量信号的幅值对应于摆动运动。在该情况下，摆动运动会以各种方式转换成电测量信号，尤其是通过摆动部分的特定位置的电容、压阻、光学、超声、热敏或机械记录以及通过精油压力、或应力或量规的摆动部分的特定位置的记录。

摆动部分的特定(时间相关)位置的记录可尤其通过DSC(数字开关电容器)传感器来进行。在该类型的传感器的情况下，摆动部分的摆动运动通过两个电连接的电容转换成微分电荷变化并通过适当的测量电子器件来评估。在EP0229933A1中描述了这种DSC传感器。

如上文所解释的，可实施为可摆动壳的涡流传感器的可摆动部分可整合在阻流体内。其可尤其容纳在阻流体的盲孔内。在该情况下，盲孔通过一个或多个通道与测量管内的流连通，从而可摆动部分可通过这些通道记录压力波动。此外，涡流传感器通常还包括与压力波动去耦合的部分。该部分例如布置在摆动部分内，尤其是摆动壳体内。通常，在该情况下与压力波动去耦合的部分布置以位置固定的方式布置为与由于外部扰动影响引起的运动分开。这样，以上述方式中的一种方式，可记录摆动部分与去耦合部分之间的距离变化并将其转换成电测量信号。在本发明中，在该情况下，通道布置为至少部分邻接测量管的壁，使得沿测量管的壁流动的第二相的壁流与涡流传感器的摆动部分能够相互作用。如果测量管倾斜或水平地布置，则通道至少部分地布置在测量管的下半部内。

此外，涡流传感器的摆动部分可通过分离地形成的摆动叶片形成，该摆动叶片布置在阻流体下游，并还部分或完全地布置在阻流体内并引入穿过腔体；该叶片从测量管的壁延伸到流动路径内。在该情况下，叶片可基本上径向延伸(到测量管)并平行于阻流体，并布置为相对于测量管的延伸方向与阻流体对准。此外，在该实施例的情况下，涡流传感器通常还包括与压力波动去耦合的部分。通常，在该情况下与压力波动去耦合的部分被以位置固定的方式布置与由于外部扰动影响引起的运动分开。因而，可以上述方式之一记录摆动部分与分离部分之间的距离变化并可将其转换成电测量信号。

时间相关(电)测量信号y(t)可用具有叠加噪声分量的频率/幅值调制信号近似地描述。其由实际涡流信号组成，该实际涡流信号可描述为具有时间相关幅值A(t)的正弦振动，以及同样时间相关的相位Θ(t)加不同起源且具有不同特性的附加噪声分量R(t)。因此，由于流动噪声导致流中的差别压力波动引起该噪声。这些噪声分量也可由于通过与传感器机械联接的传感器或测量装置的构造定义的振动或谐振信号导致的叠加振动而引起。涡流信号可随后近似通过以下公式(1)来描述：

y(t)＝A(t)·sin(Θ(t))+R(t)

A(t)＝A₀+Δa

$\mathrm{\Θ}\left(t\right)={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mv}}\left(t\right)\·t+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

$\left(1\right)---2\·\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{mv}}\left(t\right)={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mv}}\left(t\right)=\stackrel{\·}{\mathrm{\Θ}}\left(t\right)$

时间相关幅值A(t)由平均幅值A₀和附加幅值变量Δa组成，附加幅值变量Δa具有假定高斯分布，平均值为0且方差为σ_A ²。

可变相位Θ(t)与瞬时涡流频率f_mv(t)的关系由可变相位Θ(t)的一阶导数给出，该可变相位Θ(t)由瞬时涡流角频率ω_mv(t)与附加相位噪声组成，该附加相位噪声由频率调制m(t)对时间的积分定义。频率调制假设为高斯噪声，平均值为0，且方差为σ_R ²。

图3中示出典型的测量信号和其频谱。

为了针对细流或壁流形式的第二相而监测流动介质，并还估算该第二相的体积或质量分量，测量信号y(t)如下文参照另一改进所解释的，可首先用涡流频率作为中心频率的相对小的带宽滤波。滤波的实信号s(t)—或者还尤其是滤波的实信号s(t)的幅值A_s(t)，包含必要的信息，该必要信息允许声明存在第二相和其质量分量。现可统计地上记录和表达窄带滤波的信号的幅值的波动(例如通过幅值A_s(t)的标准方差或者还通过窄带滤波的信号s(t)的峰度)，并提供直接测量，可考虑该直接测量来检测第二相的存在和/或测量第二相的质量和体积分量。

在此描述上述选择性滤波和信号处理的可能的实施变型。幅值A_s(t)可尤其通过滤波的测量信号s(t)的分析信号来获得。为此，可将滤波的测量信号使用希耳伯特变换转换成滤波的分析信号s_a(t)：

(2)s_a(t)＝I(t)+j·Q(t)＝|A_s(t)|·e^jΦ(t)

滤波的分析信号s_a(t)由对应于滤波的实信号s(t)的实部I(t)(同相信号)和复部Q(t)(正交信号)组成；j是复算符√(-1)(平方根)。

使用下式计算时间点t＝t_i的瞬时幅值大小|A_s(t)|：

$\left(3\right)---\left|A_s\left(t\right)\right|=\sqrt{I{\left(t\right)}^2+Q{\left(t\right)}^2}$

此外，可通过相位Φ(t)相对于时间求微分从分析信号计算瞬时涡流频率。

$\mathrm{\Φ}\left(t\right)=\arctan \left(\frac{Q\left(t\right)}{I\left(t\right)}\right)$

$\left(4\right)---f_v=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{\mathrm{d\Φ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

由于沿测量管的壁流动的第二相的壁流与第一涡流传感器的敏感部分的相互作用，随着时间可测量到窄带滤波的分析信号s_a(t)的幅值的波动的增加。因此，该相互作用导致记录的窄带滤波的测量信号的增加的幅值调制。可根据本发明的多个其它改进统计地评估这些波动，且考虑这些波动作为是否发生第二相形式的壁流，且如果发生，第二相形式的壁流的质量/体积流量的值的度量。因而，可通过确定窄带滤波的分析信号s_a(t)的幅值大小|A_s(t)|的值随着时间的波动而方便地检测和测量第二相的壁流。尤其通过相应实施的电子器件自动评估和监测涡流测量装置内幅值的大小|A_s(t)|的波动。本申请所提到的“电子器件”是以模拟方式处理尤其是电信号的信号的电子电路，以及以数字方式数字地处理电信号的电路或处理器。这两种形式也可尤其组合使用。

已知可考虑对波动的统计评估和对于幅值测量的其它改进。因此，例如此后连接的整流器和低通滤波器也可检测平均幅值和其波动。还已知可以其它方式进行幅值波动的评估。

如前述部分之一中已经提到的，除了其它统计评估选项，尤其可考虑幅值大小|A_s(t)|的标准方差。已发现，幅值大小的估算的标准方差越大，以壁流形式产生的第二相的比例越大。

此外，也可考虑对应于s(t)的缩写为分析信号s_a(t)、re{s_a(t)}的滤波的实部的峰度作为第二相的质量/体积分量的度量。这是因为re{s_a(t)}的峰度越大，与具有1.5的峰度的纯正弦振动的偏差就越大。

在确定分析信号的幅值的大小的标准方差的情况下以及在确定窄带滤波的测量信号s(t)的峰度的情况下，都能够使得可定义标准方差或峰度的限值(对于两相或多相流动介质的第一相和第二相的特定组合)，在超过限值时存在第二相，并可因此检测到第二相。此外，可补充或替代地定义其它限值；在超过该其它限值的情况下超过第二相的特定质量流量，且因而输出警告报告。

可使用以下等式计算幅值A_s(t)的大小的标准方差σ_A。

$\left(5\right)---{\mathrm{\σ}}_A=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{t_i=t_1}{\overset{t_i=t_N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|A_s\left(t_i\right)|-{\stackrel{\‾}{A}}_s)}^2}$

总之，在该计算中考虑N个值。

是对于N个值测量的幅值的大小的算术平均。

使用四阶力矩μ₄和标准方差σ_s通过以下等式(6)可计算窄带滤波的测量信号s(t)的峰度β(或归一化的四阶力矩)。在该情况下，使用等式(7)可获得标准方差σ_s，且使用等式(8)可获得四阶中心力矩μ₄。

$\left(6\right)---\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\μ}}_4}{{{\mathrm{\σ}}_s}^4}$

$\left(7\right)---{\mathrm{\σ}}_s=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{t_i=t_1}{\overset{t_i=t_N}{\mathrm{\Σ}}}{(s\left(t_i\right)-\stackrel{\‾}{s})}^2}$

$\left(8\right)---{\mathrm{\μ}}_4=\frac{1}{N}\underset{t_i=t_1}{\overset{t_i=t_N}{\mathrm{\Σ}}}{(s\left(t_i\right)-\stackrel{\‾}{s})}^4$

t_i表示测量的离散时间点。

总之，在该计算中考虑N个值，其中s(t_i)是窄带滤波的测量信号在测量时间点t_i的值，且是窄带滤波的测量信号的N个值的算术平均值。

在该情况下，峰度β或四阶力矩是统计分布的峰度的度量(其平均值周围)。除了四阶力矩，已知还有对应于任意变量的预期值，即对应于平均值的第一力矩；对应于变化的第二力矩；以及归一化之后还称为偏度的第三力矩。偏度和峰度通常用作相对于正态分布的偏离的度量。

尽管方程(5)、(7)和(8)中的每个适用N个离散值，但对于各信号的连续记录的渐进值也可以使用积分形式的相应表示。通过在涡流测量装置内实施相应的电子器件可确定标准方差和/或峰度，在该情况下，以下述方式发生：各确定的幅值大小|A_s(t)|或在离散时间点t＝t_i(i为连续正整数)测量的值s(t)存储在缓冲器或环形存储器内。在该情况下，可进行存储，其方式为预定数量的值可存储在缓冲存储器内，且在增加新值|A_s(t_i)|或s(t_i)的情况下，从缓冲存储器中删除最早的值，从而使各个值都被“推动”通过缓冲存储器的不同位置。考虑用于计算标准方差或峰度的N个值可通过N个值，例如100个值的相应选择窗来选择。然后可例如每次当选择窗内添加一个值(或多个值)(且相应数量的旧的值消失)或者也当选择窗内所有的值被新的值所代替时在预定时间间隔内进行标准方差或峰度的计算。

在上述部分之一中已经描述的有利的另一改进中，为了评估测量信号是否包含沿测量管的壁的壁流形式的第二相与第一涡流传感器的敏感部分相互作用的特征，选择性地以相对小带宽选择性地窄带滤波测量信号，并且涡流频率作为平均频率。通过这种选择性滤波，仅考虑涡流频率附近区域内的频率范围，并过滤掉其频率与涡流频率不同的扰动分量。尤其是，该频率范围具有小于涡流频率的50％的宽度，其中涡流频率作为平均频率。

在有利的另一改进中，参照在对介质的特定第一相和第二相校准中先前形成的相互关系，从由涡流测量装置从测量信号确定的涡流频率，并从由涡流测量装置从测量信号确定的标准方差或峰度来确定预定第二相的质量流量。在该情况下，在形成相互关系期间，在每种情况下，1)预定第二相的壁流的已知质量流量、2)对于第一相的不同流速由涡流测量装置从测量信号确定的涡流频率、以及在每种情况下3)由涡流测量装置从测量信号确定的相关标准方差或峰度(预先)在校准中彼此相关。这意味着在校准中设置第二相的各种(已知)质量流量和第一相的不同流速，并在每种情况下对于这些不同的值，相关的涡流频率和标准方差或峰度由涡流测量装置确定。基于该相互关系，在使用涡流测量装置期间，基于从测量信号以及从涡流频率确定的标准方差或峰度并且参照相互关系，能够以简单方式定量确定第二相的壁流的质量流量。在测量管水平布置或如果不能水平布置则稍微倾斜布置的情况下，第二相的壁流的质量流量的这种定量确定是尤其有利的。在有利的另一改进中，以拟合函数形式将相互关系存储在涡流测量装置中。

在有利的另一改进中，考虑第二介质的确定的质量/体积流量来校正由涡流测量装置从测量信号确定的涡流频率确定的第一相的流速或体积流量。由于测量管内第二相的壁流同样占据一定体积，所以第一相的实际流速和/或实际体积流量通常偏离从涡流频率确定的流速或体积流量。基于第二相的壁流的确定的质量流量，可估算第二相的体积，并例如相应地校正第一相的体积流量。

除了其它大多数情况之外，根据有利的另一改进，用于记录涡流频率的一种可能实施方式是通过两个平行的滤波器将记录的宽带测量信号滤波至涡流频率周围的窄带频率范围，并同时转换成由实部I(t)和虚部Q(t)组成的分析信号。在该情况下，两个滤波器具有完全相同的频率响应；但是，它们具有90°的相位差。Q(t)相对于I(t)的90°的相位差仅与滤波Q(t)中实宽带测量信号的方波滤波器的系数相关。同时，同相滤波器滤波I(t)中的实宽带测量信号而没有相位偏移。

通过这种滤波器布置，在所要求频率范围内的滤波可以以有利的方式进行，且可获得记录的测量信号的分析信号的实部(由滤波器滤波且是同相的)以及复部(由方波滤波器滤波)。如果，例如形成分析信号的实部I(t)的测量信号描述为S(t)*sin(ω_Vt)，其中ω_V是涡流频率，则通过滤波器同相传送的信号是I(t)＝S(t)*sin(ω_Vt)，而通过方波滤波器传送的信号是Q(t)＝S(t)*cos(ω_Vt)。

此外，两个滤波器可实施为它们具有相同的组行程时间。这样，可确保实部I(t)以及相关的复部Q(t)通过两个滤波器同时输出，并且具有90°的相位差。

此外，在信号处理的实施中，可设置成幅值A_s(t)的瞬时大小通过CORDIC算法(坐标旋转数字计算机)由实部I(t)和复部Q(t)形成。通过CORDIC算法，还可同时获得对应于arctan(Q(t)/I(t))的分析信号的瞬时相位Φ(t)。通过相位Φ(t)对时间的微分，还可获得涡流频率。

可以纯模拟电路或纯数字电路，或部分模拟形式且部分数字形式实施该优选实施，从而获得瞬时相位和瞬时幅值信息，对于等式(5)和/或(6)考虑该瞬时相位和瞬时幅值信息，从而获得关于在管线内流动的介质的第二相的存在和/或质量流量分量/体积流量分量的信息。

在有利的另一实施例中，提供第二涡流传感器，该第二涡流传感器布置在阻流体的脱落边缘下游，并具有对应于发生的压力波动的敏感部分，并布置在水平布置或倾斜的测量管的上半部内。通过该第二涡流传感器，记录压力波动，该压力波动主要由第一相的涡流产生，其中通过第二涡流传感器的敏感部分记录的压力波动转换成用作用于第一相的纯流动的参考信号的电测量信号。当第一涡流传感器的敏感部分布置在测量管的下半部内，尤其是测量管的最下表面元件处时，该另一改进尤其有利。通过提供这种参考信号，第一涡流传感器的电测量信号(或者还有从其得出的变量，诸如标准方差或峰度)可简单地与参考信号(或者在给定情况下，从其得出的变量，诸如标准方差或峰度)比较。在该另一改进的情况下，基于该比较，可甚至在没有先前进行校准的情况下检测(由于重力)在测量管的下半部内流动并与第一涡流传感器的敏感部分相互作用的第二相的壁流。在给定情况下，然后可通过涡流测量装置输出警告。

在第二涡流传感器的情况下，除了该布置的特定特征，与关于该第一涡流传感器所解释的基本上相同的其它改进和变型也是可能的。

在有利的另一改进中，第一涡流传感器包括摆动叶片，该摆动叶片穿过测量管下部内，尤其在最下表面元件处阻流体下游形成的开口延伸到流动路径内。因而涡流传感器包括敏感部分，其布置为邻接壁并(至少部分地)布置在管下半部内。使用叶片作为敏感部分是有利的，因为在发生第二相的壁流的情况下，第二相的波通常撞击叶片，并随之产生关于时间的记录的测量信号的窄带滤波的分析信号的幅值的瞬时大小的波动的增加。

在本发明的另一实施例中，在叶片周围形成用于容纳作为壁流流过的第二相的一部分的凹陷。通过凹陷以及由此产生的第二相的积聚，在其作为壁流流过叶片区域内的情况下，增加了第二相与叶片之间的相互作用。在该情况下，凹陷可实施为使得当壁流中断时，保留在凹陷内的第二相(尤其是细流)被流过的第一相带走(清除)且凹陷随之再次变空。这样，确保在不发生壁流的时候，没有由于剩余在凹陷内的第二相的部分而干扰测量信号。

如引言部分中解释的那样，除了第二相的壁流，也可附加地或替代地发生管线内且随之在测量管内的至少第二相(即与壁流情况相同的相)或还有至少第三相(即相对于壁流的另一介质)的颗粒和/或液滴流。在该情况下，理想的是，第二相或第三相的这种颗粒和/或液滴流也可由涡流测量装置检测，且在给定情况下定量地确定。因而，在有利的另一改进中，提供用于检测至少第二相或至少第三相的分布颗粒和/或液滴流的方法，其具有以下步骤：

a)记录声信号，该声信号通过第二相或第三相的颗粒和/或液滴撞击在涡流测量装置的伸入测量管内流动路径内的部件上，尤其是阻流体上而产生，该记录通过声换能器进行，声换能器一体地形成在该部件内或与该部件声联接；以及

b)通过声换能器将由声换能器记录的声信号转换成电信号。

通过该进一步改进，使得能够用涡流测量装置快速(即在线)同时检测至少第二相或第三相的分布颗粒和/或液滴流的发生。其不需要额外的部件，因而部件的数量和相关成本可保持较低。在该情况下通过利用伸入测量管内流动路径内的涡流测量装置的(现有)部件同时用作第一相内颗粒和/或液滴流的一部分的撞击区域，实现分布颗粒和/或液滴流的检测。在该情况下由第二相或第三相的颗粒和/或液滴撞击在部件上产生的声信号可由声换能器转换成电信号，使得这些信号通过涡流测量装置(尤其是通过涡流测量装置的相应实施的电子器件)进行电处理和估算。此外，可设置成，在涡流测量装置检测到至少第二相或第三相的颗粒和/或液滴流和/或增加的颗粒和/或液滴流的情况下输出警告报告。

在该情况下，颗粒和/或液滴流也可由一种以上介质形成，尤其是由至少两种不同材料的颗粒形成。以下描述的其它改进情况中，在每种情况下参照该变型，即使没有每次清楚地指出(通过“至少第二相或第三相”的陈述指出)。在该情况下术语“分布的颗粒和/或液滴流”通常是指这样的流动流，其中颗粒和/或液滴(至少部分地)分布在第一相中作为至少第二相或第三相并由第一相携带。

术语“声换能器”是指换能器或传感器，其记录进来的声信号并将信号转换成与各声信号对应的电信号。作为变型，声换能器例如可一体地形成在第二相的颗粒和/或液滴撞击部件的位置或区域上的部件内，且声换能器可直接记录产生的声信号。或者，其也可布置在距离部件的该位置或区域一定距离处，例如整合在部件内、或也与部件分开并且可声联接到该部件，使得各声信号(声波)可从部件的该位置或区域传播到声换能器。尤其是，声换能器也可布置在测量管的外部。

在另一有利改进中，该部件由涡流测量装置的阻流体形成，且阻流体具有大致垂直于流动方向并面向流的撞击区域。这样，颗粒和/或液滴流直接撞击撞击区域，且可容易地确定撞击区域的大小与测量管的内部截面的总面积的比值。此外，颗粒和/或液滴基本上以均匀的角度撞击在撞击区域上。应用阻流体的另一优点在于，由于阻流体处交替侧的涡流脱落，导致来流在阻流体前方的区域已经受到影响。这使得流过的阻流体的撞击区域在交替侧上不精确垂直，而是稍微倾斜(对应于涡流脱落的频率)。这样，有效地防止颗粒和/或液滴聚集在阻流体的撞击区域上。

基本上，可以各种方式通过声换能器将声信号转换成电信号。在有利的另一改进中，声换能器由压电或电容换能器形成。在有利的另一改进中，声换能器布置在测量管的外部，并声联接到涡流测量装置的部件，尤其是阻流体。这样，声换能器与处理温度和处理压力大大地去耦合。

在有利的另一个改进中，涡流测量装置的电子器件实施为由声换能器提供的电信号通过电子器件根据预定标准来评估。在该情况下，电子器件可整合在评估第一涡流传感器的测量信号的涡流测量装置的电子器件(已经存在)中。此外，可由该涡流测量装置输出相应报告(诸如警告报告、颗粒和/或液滴流的定量说明等)，且尤其可呈现在显示器上。

在有利的另一个改进中，涡流测量装置的电子器件实施为由声换能器提供的电信号通过该电子器件滤波至待评估的带宽。同时，仍可进行其它信号处理，例如滤波之前或之后的各电信号的放大。此外，根据有利的另一改进，涡流测量装置的电子器件实施为通过该电子器件从通过谱信号处理和/或通过统计评估从由声换能器提供的电信号来确定被测变量，并然后根据预定标准评估该变量。这些电子器件可从由声换能器提供的随时间记录的电信号(在给定情况下是滤波的电信号)的值产生RMS值(RMS：均方根；二次平均值)，并评估这些值作为被测变量。例如，如果考虑在N个不同时间t_i(i＝1-N)记录的电信号S(ti)的N个值(这里是滤波的值)来计算RMS值则使用以下等式可获得RMS值：

$\left(9\right)---\stackrel{\‾}{S}=\frac{1}{N}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}S{\left(t_i\right)}^2}$

在有利的另一改进中，涡流测量装置的电子器件实施为借助于通过校准确定的传递因子(通过传递因子使被测变量与各个颗粒和/或液滴的动能或颗粒和/或液滴流的动功率相互关联)以及颗粒和/或液滴流的速度，该电子器件从被测变量确定各个颗粒和/或液滴的数量和质量，并分别地确定颗粒和/或液滴流的质量流量。这样，能够定量确定第二介质的颗粒和/或液滴流。

根据应用，根据第一变型的传递因子可通过校准来选择和确定，其方式为：被测变量例如上述RMS值用传递因子C₁与各个撞击颗粒或液滴的动能E_KIN相互关联。在以下等式(10)中给出该关系，其中m_P是各个颗粒或液滴的质量，而v是其速度：

$\left(10\right)---E_{\mathrm{KIN}}=\frac{1}{2}{m}_P{v}^2=C_1\stackrel{\‾}{M}$

如方程(10)中显而易见的，各个颗粒或液滴的质量m_P可因而从被测变量传递因子C₁以及速度v来确定。

对应于第一相的速度的颗粒的速度v可通过涡流测量装置以已知方式从涡流频率来确定。当各个颗粒和/或液滴流中颗粒和/或液滴的密度足够低，使得可单独地声学检测各个颗粒在涡流测量装置的相关部件上的不同撞击时，第一变型是尤其有利的。颗粒和/或液滴的数量可通过对各撞击进行计数来确定。

根据应用，根据第二变型，传递因子也可通过校准来选择和确定，使得被测变量例如上述RMS值用传递因子C₂与颗粒和/或液滴的动功率P_KIN相互关联。

在以下等式(11)中给出该关系，其中m/t是颗粒和/或液滴流的质量流量(其中其仅考虑颗粒和/或液滴的质量，而不考虑第一相的质量)，并且v是其速度：

$\left(11\right)---P_{\mathrm{KIN}}=\frac{1}{2}\frac{m}{t}{v}^2=C_2\stackrel{\‾}{M}$

如等式(11)中显而易见的，颗粒和/或液滴流的质量流量m/t可因而从被测变量传递因子C₂以及速度v来确定。

颗粒的速度v可通过涡流测量装置来确定。当各个颗粒和/或液滴流中颗粒和/或液滴的密度足够高，使得不再能单独地声学检测各个颗粒在涡流测量装置的相关部件上的不同撞击时，第二变型是尤其有利的。

在第一变型的情况以及第二变型的情况下，传递因子C₁或C₂可选择成恒量，使得校准和所要求的计算简单。或者，传递因子C₁或C₂也可定义为附加变量，例如温度或压力、几何变量等的函数。这样，在定量确定期间可考虑其它影响。

本发明还涉及一种用于检测在管线中流动的第一可流动相(尤其是气体)中的沿管线的壁流动的至少第二可流动相的壁流(尤其是用于检测细流)的涡流测量装置，第一可流动相具有比第二可流动相小的密度，其中涡流测量装置由至少可插入管线的测量管、阻流体和第一涡流传感器组成。在该情况下，阻流体在测量管内横向于流动方向延伸，使得对于阻流体两侧上的各相，在每种情况下形成流动路径，且在阻流体的两侧上形成至少两个脱落边缘，使得在使用期间卡门漩涡在这些脱落边缘上脱落。

第一涡流传感器，关于其安装位置，布置在脱落边缘的下游，并包括对应于发生的压力波动的敏感部分。所述涡流测量装置实施为将在使用期间由敏感部分记录的压力波动转换成电测量信号。在该情况下，第一涡流传感器的敏感部分布置为至少部分邻接测量管的壁。使用期间通过其处理电测量信号的涡流测量装置的电子器件实施为在记录包含(沿测量管的壁流动的)第二相的壁流与第一涡流传感器的敏感部分相互作用的特征的测量信号的情况下，可推断在测量管内存在第二相的壁流。这意味着可监测和检测第二相的壁流。

在该情况下，涡流测量装置可实施为，在检测到第二相的壁流的情况下，输出警告报告，且尤其是呈现在涡流测量装置的显示器上。在本发明的涡流测量装置的情况下，也能够以对应的方式存在以上参照本发明的方法解释的进一步改进和变型。在需要处理测量信号和/或计算或确定其他变量的方法步骤的情况中，涡流测量装置的电子器件实施为可通过电子器件相应地进行相关的方法步骤。

附图说明

将基于附图更详细地解释本发明，附图中：

图1是根据本发明的实施例的第一形式的涡流测量装置的部分剖面透视图的示意性示图；

图2是根据本发明的实施例的第二形式的涡流测量装置的部分剖面透视图的示意性示图；

图3使出了典型的测量信号的时间的函数y(t)(上图)和其估计的频谱功率密度(下图)。

图4是为了解释用于确定第二相的质量流量的测量信号的信号处理的示意图，如本文更精确地解释的那样；

图5是在水和空气的两相流的情况下对于水(第二相)的不同质量流量并且对于空气(第一相)的不同流速的相对于涡流频率的滤波后的测量信号s_a(t)的峰度的图形表示；

图6是用于确定线性校准函数的纯(干)空气(第一相)的不同流速的滤波后的测量信号s_a(t)的峰度与涡流频率的图形表示；

图7是在水和空气的两相流的情况下对于水(第二相)的不同质量流量并且对于空气(第一相)的不同流速的相对于涡流频率的各滤波后的测量信号的峰度值与校准函数的峰度值直接的差别的图形表示；

图8是其中对于水(第二相)的不同质量流量并且对于空气(第一相)的不同流速，水的质量流量、从滤波后的测量信号确定的涡流频率和从滤波后的测量信号确定的峰度值的差彼此关联的三维图形表示；以及

图9是在水和空气的两相流的情况下，对于水(第二相)的不同质量流量并且对于空气(第一相)的不同流速，相对于涡流频率分记录的测量信号的分析滤波后的测量信号的幅值的标准偏差的图形表示。

具体实施方式

图1示意性地以透视图示出根据本发明的实施例的第一形式的涡流测量装置2。涡流测量装置2包括测量管4，该测量管4在图1中以局部剖视图示出。使用时，将测量管4插入其第一相(这里：气体)流待确定的管线(未示出)内，从而第一相沿流动方向6流过测量管。

涡流测量装置2包括阻流体8，该阻流体8在直径方向说横跨测量管4的总内横截面延伸。在图1中所示的涡流测量装置2的插入位置，测量管4基本上水平延伸，而阻流体8基本上竖直延伸，即平行于重力方向。在该情况下，阻流体8实施为在面向流的一侧上(在图1中隐藏)，其具有与各介质相向流动的撞击区域。在每种情况下，撞击区域的两侧邻接有侧表面10，其中两个侧表面10沿流动方向6呈锥形，使得阻流体8具有大致△形截面。在撞击区域的两侧上，在每种情况下设置涡流脱落边缘12(在图1中，仅可见两个脱落边缘12中的一个)，其形成到两个侧表面10的过渡。如从图1中显而易见的，各介质可在阻流体8的两侧上流过，其中，如上文所解释的，涡流随着时间交替地在两脱落边缘12处脱落。因而，使用时，卡门涡街形成在两脱落边缘12后的区域内。

涡流测量装置2另外还包括涡流传感器14，该涡流传感器14布置在阻流体8的下游。在实施例的本示例中，涡流传感器14包括叶片16，该叶片16穿过孔18延伸到流动路径内，孔18的轴线与测量管4的最下表面元件相交。在该情况下，叶片16在待机位置平行于阻流体8并与阻流体8对准地布置。叶片16可在垂直于流动方向6并垂直于叶片16的延伸方向的方向上摆动。因而，叶片16在使用期间由于压力波动的上升，尤其由于形成了漩涡而前后摆动。如上文所解释的，叶片的摆动运动通过DSC传感器(未更详细示出)换能成可电处理的测量信号。在该情况下获得的电测量信号的各种类型的分析是通过涡流测量装置2的电子器件(未示出)进行的，下文将从从图3开始参照附图进行解释。

因为叶片16从底部延伸穿过测量管4进入流动路径，所以叶片16形成响应于发生压力波动的敏感部分，该敏感部分布置为部分邻接测量管4的壁，并布置在测量管4的下半部内。如果在实施例的本示例中形成第一相的气体中存在细流(第二相)，则细流由于重力收集在测量管4的下部区域内并直接邻接叶片16流动。此外围绕叶片16在孔18内形成凹陷20，在发生细流的情况下该凹陷20收集一部分细流。在流过叶片16的细流的情况下以及由于细流收集在凹陷20内，细流与叶片16发生相互作用。由叶片16记录的测量信号受到该相互作用的影响。测量信号的幅值波动增加。下文将从图3开始参照附图解释使得能够检测细流的获得的测量信号的分析的各种变化。

图1还通过虚线示出形成在阻流体8内的涡流传感器22的替代变型。在该替代变型的情况下，用于容纳涡流传感器22的盲孔24平行于阻流体8的延伸方向设置在阻流体8内。盲孔24包括至少一个通道25，该至少一个通道25形成测量管4内的各介质与盲孔24之间的流体连接。因而，布置在盲孔24内的涡流传感器22可记录压力波动，该压力波动发生在脱落边缘12下游的测量管4内，且尤其由涡漩产生，且根据上述变型之一将记录的压力波动转换成电测量信号。涡流传感器22(未更详细示出)可如上上述具有例如摆动传感器套管，可记录摆动传感器套管相对于与压力波动去耦合的部分的摆动运动。

图2示意性地以透视图示出根据本发明的实施例的第二形式的涡流测量装置26。在下文中，将主要阐述与参考图1解释的实施例的第一形式的不同。相同的附图标记用于相同的部件。

与实施例的第一形式相反，涡流测量装置26还包括第二涡流传感器28，该涡流传感器28布置在阻流体88的下游。该第二涡流传感器28包括叶片30，该叶片30穿过孔(未示出)延伸到流动路径内，孔的轴线与测量管4的最下表面元件相交。因而，第二涡流传感器28的叶片30与第一涡流传感器14的叶片16相对。在该情况下，(第二涡流传感器28的)叶片30在静止位置布置为平行于阻流体8并与阻流体8对准。叶片30可在垂直于流动方向6并垂直于叶片30的延伸方向的方向上枢转。因而，叶片30在使用期间由于压力波动的上升，尤其由于形成的涡流而前后运动。叶片30的摆动运动如参照第一涡流传感器14所解释的相应方式转换成电测量信号。该情况下获得的测量信号形成流动介质的第一相的纯流的参考信号。

基于这种参考信号，第一涡流传感器14的电测量信号(或者还有从其得出的变量，诸如标准方差或峰度)可简单地与参考信号(或者在给定情况下，从其得出的变量，诸如标准方差或峰度)比较。例如，可对标准方差或峰度的差定义上限值，如从第二涡流传感器28的测量信号确定的标准方差或峰度，根据第一涡流传感器14的测量信号的确定，超过该上限则推断出存在细流。因而，在实施例的第二形式的情况下，作为沿测量管4的下管部分的壁流流动的细流的检测可以简单方式进行，而不预先校准涡流测量装置26。在该情况下，涡流测量装置26实施为，在发生细流的情况下，其输出警告报告。

另外，图2中所示的涡流测量装置26实施为流动介质的第二相或第三相的颗粒和/或液滴流也可通过该装置检测以及可定量地确定。在该情况下，阻流体8的面向流动的区域形成用于来流颗粒和/或液滴的撞击区域27。如果在流动的第一相(这里是气体)内发生颗粒和/或液滴流(这里是水的液滴流)，则通常对应于撞击区域27与测量管4的内部横截面区域的比值(在内部横截面上均匀分布颗粒和/或液滴流的情况下)的颗粒和/或液滴的分量撞击在阻流体8的撞击区域27上。通过这种颗粒和/或液滴的撞击产生声信号。在阻流体8内布置有联接部件29，在图2中以杆形状形式示出，并用于声换能器31与阻流体8(尤其是其撞击区域27)之间的声联接。在颗粒和/或液滴撞击在撞击区域27上的情况下产生的声信号通过该联接部件29向外传送到测量管4的外部。在本实施例形式中由压电元件形成的声换能器31放置在测量管4外部并且放置在联接部件29上，使得可通过其记录声信号。通过声换能器31，可将声信号转换成相应的电信号。然后将由声换能器31提供的电信号转发到涡流测量装置2的评估电子器件。

如以上在说明书的总述部分中所解释的，然后由声换能器20输出的电信号通过相应形成的电子器件被放大和滤波以产生待评估的频率范围。待评估的频率范围为例如100kHz至1MHz的范围。然后，如以上在说明书的总述部分中所解释的，诸如RMS值的待评估被测变量由电子器件从其确定。如果仅进行颗粒和/或液滴流的检测，则例如电子器件实施为在超过(或在给定情况下落后/低于)被测变量的预定限值的情况下，推断出存在颗粒和/或液滴流。如果仅进行检测，则在给定情况下也可省略待评估被测变量的确定，并可例如直接确定电信号的信号强度的限值。

如果另外在校准部分事先进行关于颗粒和/或液滴流的定量评估，则如以上在说明书的总述部分中所解释的，必须确定传递因子(C₁或C₂)，通过传递因子(C₁或C₂)将被测变量与单个颗粒和/或液滴的动能(传递因子C₁)关联，或将其与颗粒和/或液滴的动功率(传递因子C₂)关联。在这种情况下，参考等式(7)和(8)以及说明书的总述部分以及相关描述。通过可通过涡流测量装置2从涡流频率确定的颗粒和/或液滴流的速度v，可确定单个颗粒和/或液滴的质量，或颗粒和/或液滴的质量流量(将等式(7)和(8)比较)。

图3示出由于振动具有叠加扰动分量的纯单相流(这里是空气)的典型测量信号。在图3的下部示出在图3的上部中对时间段示出的信号的频谱功率密度。图3应当清楚示出，为了获得关于第二相的分量的相关信息，在进行估测量信号的特别的统计评估之前，必须通过窄带滤波器在涡流频率周围的窄带内从测量信号选择频率范围V。这样，确保扰动信号(例如扰动信号S)不会破坏第二相的监测，尤其是扰动分量的幅值大于所想要的信号的幅值时，如在小流量的情况下的情况。

在下文中参照图4解释用于测量信号的纯数字信号处理的选项，从而从其确定统计变量，诸如幅值的大小的标准偏差和/或滤波的窄带的峰度、测量信号y(t)的分析信号s_a(t)，并从其确定形成为细流或壁流的第二相的质量流量。首先将记录的测量信号y(t)在滤波器级32内滤波至小于涡流频率的50％的带宽，同时涡流频率为中心频率。滤波器级32包括并联的两个滤波器34和36。在两滤波器的第一滤波器34的情况下，滤波系数选择成输出滤波的测量信号I(t)，尽可能接近没有相移动。该第一滤波器34在下文称为同相滤波器34。在第二滤波器36的情况下，滤波系数选择成滤波的测量信号Q(t)具有与同相滤波器34的滤波的测量信号I(t)相比+90°的相移动。该第二滤波器36在下文称为方波滤波器36。例如，如果测量信号以简单方式(不考虑附加频率)描述为U(t)*sin(ω_Vt)，其中ω_V是涡流频率，则通过同相滤波器34传送的信号则是I(t)＝U(t)*sin(ω_Vt)，而通过方波滤波器36传送的信号是Q(t)＝U(t)*cos(ω_Vt)。为了确保由两滤波器34和36同时输出共属的两个信号I(t)和Q(t)，则两个滤波器34和36具有相同的组行进时间。

然后，通过CORDIC算法，从输出信号I(t)和Q(t)确定分析信号的幅值A_s(t)(见方框38)和分析信号的相位Φ(t)(参见方框40)。幅值A_s(t)尤其基于等式(3)从两个输出I(t)和Q(t)产生。分析信号的相位Φ(t)基于方程(4)产生。通过相位Φ(t)对时间的微分，还可获得瞬时涡流频率f_V(t)(参见方框41)。为了获得流的平均涡流频率瞬时涡流频率相应地对N个值取平均(比较方框43)。

在数字实施情况下，在不同时间ti确定的幅值大小A_s(t_i)能够以如上文解释的方式存储在例如缓冲或环形存储器内。在该情况下，测量信号y(t)在每种情况下以等时间间隔尽可能多地进行滤波和分析，并从其确定幅值大小A_s(t)。在该情况下，时间间隔适当地根据涡流频率来选择。然后从缓冲存储器读出以时间顺序确定的N(例如100)个连续幅值大小的值A_s(ti)，并从其计算标准偏差(比较等式(3))(参见方框42)。然后给出其中幅值大小的标准偏差、涡流频率和第二相的细流的质量流量相对于彼此的相互关系，确定细流的质量流量m/t(参见方框44)。在该情况下，该相互关系作为拟合函数存储在涡流测量装置内。在该情况下，该拟合函数或相互关系的确定可用细流形式的第二相的不同已知质量流量和流动介质的第一相的不同流速经验地确定。

代替滤波的分析信号的幅值的大小标准偏差，也可替代地考虑I(t)＝Re(s_a(t))的峰度、滤波信号s_a(t)的实部用于监测/校准。这在图4中以虚线示出为包括方框45的变型。

在下文中，参照图5至8解释用于确定测量信号的峰度、涡流频率和流动介质的第二相的细流的质量流量相对于彼此的拟合函数或相互关系的变型。在该情况下，通过空气形成介质的第一相并通过水形成第二相，其中水作为壁流(或壁膜流)，即作为细流沿测量管的壁流动。在该情况下，诸如应用在图4所示的信号处理的情况中且滤波的分析信号的幅值的大小的标准偏差、涡流频率和流动介质的第二相的细流的质量流量相对于彼此的相互关系可以相应的方式来确定。

图5图形地示出滤波的测量信号的峰度Re(s_a(t))相对于涡流频率的关系。在该情况下，不同的测量曲线对应于细流的不同质量流量。具体来说，在曲线A的情况下，存在纯空气流，在曲线B的情况下，存在10kg/h(千克/小时)的水的质量流量，在曲线C的情况下，存在20kg/h的水的质量流量，在曲线D的情况下，存在30kg/h的水的质量流量，在曲线E的情况下，存在40kg/h的水的质量流量。对于水的不同质量流量进行的字母标记同样适用于图5至9。在每种情况下曲线的不同测量点通过在保持水的质量流量恒定的同时设置空气(第一相)的不同流速来获得。在该情况下，峰度可使用等式(6)至(8)从测量信号(先前滤波至特定涡流频率周围的窄带)获得。

如图5中显然的，在恒定涡流频率下，峰度随着水的质量流量的增加而增加。此外，从图5中显然的是，在实施例的本示例中，在空气的低流速范围内，在显然低于350Hz的涡流频率的情况下，该行为仅以有限的方式进行。因而，用于确定水(通常属于第二介质)的细流的质量流量的测量信号的峰度仅适用于要确定的限值流速以上的第一相的流速的情况。该限值流速取决于具体的涡流测量装置，尤其取决于测量管的直径以及第一相和第二相的性质。

首先，对于纯空气流，特定涡流频率相对于空气体积流量的关系近似为对于空气的不同流速的线性函数。在该情况下，该线性函数的斜率对应于通常必须对涡流测量装置、尤其是对单相流体的流测量确定的校准因子。该步骤在附图中未示出。

在下一步骤中，在纯空气流的情况下，确定对于空气(第一相)的不同流速的峰度，且该曲线利用线性校准函数近似。这在图6中示出，其中对于空气的不同流速，在每种情况下绘出相对于涡流频率的峰度值。在图6中，在每种情况下用圆圈表示各个测量点，而线性校准函数L用实线表示。考虑在该步骤获得的线性校准函数L作为在发生水细流的情况下确定的峰度值的参考。

在接下来的步骤中，对于线性校准函数L(比较图6)形成如图5中所示的峰度相对于涡流频率的曲线A-C的差异。在图7中示出在绘出峰度相对于涡流频率的差异的情况下获得的曲线A’-E’。

最后，在最后的步骤中，对于不同的进行的测量，峰度、涡流频率和水(作为细流流动)的质量流量(在每种情况下是已知的)的差异具有相对于彼此的关系。另外通过形成拟合函数或相互关系的表面F近似在三维空间内绘出的测量点。这在图8中示出。在该情况下，在图8中，在每种情况下的各个测量点在由峰值差、涡流频率和水(作为细流流动)的质量流量限定的三维空间内用黑点绘出。在图8中同样地绘出表面F。

在涡流测量装置的使用中，可从由涡流测量装置从测量信号确定的涡流频率，并从先前确定的校准因子确定空气(第一介质)的流速和/或体积流率。此外，通过确定测量信号的峰度，可对于线性校准函数L计算所述峰度的差。通过例如作为参考数存储在涡流测量装置内的表面F，使用获得的涡流频率和获得的峰度差，可确定作为细流流动的水(第二相)的质量流量。此外，在给定情况下，可进行空气(第一相)的体积流量的修正。为此，从确定的水的质量流量，例如估算由此产生的用于流动的空气的截面面积的减小。基于该变量，可确定从涡流频率确定的空气(第一相)的体积流率。

如果涡流测量装置专用于检测细流(通常属于第二相)，不需要进行用于确定相互关系或拟合函数的上述所有步骤。此外，例如当确定如图6中所示的线性校准函数L时就足够了，且然后在使用涡流测量装置期间，在每种情况下确定如图7中所示的峰值的差。此外，可定义峰值差的限值，在超过该限值时检测到细流(通常是第二相的壁流)。在该情况下，该限值也可定义为相应涡流频率的函数。

图9图示出每种情况下，记录的测量信号的滤波的分析信号的幅值的大小的标准偏差σ_s相对于涡流频率的关系。在该情况下，每种情况中的不同测量曲线A”-E”对应于空气中水细流的不同质量流量，如以上字母指示所给出的。在每种情况下曲线的不同测量点通过在保持水的质量流量恒定的同时设置空气(第一相)的不同流速来获得。在该情况下可以以参照图4解释的方式从测量信号获得标准偏差σ_s。

如图5中显然的，在恒定涡流频率下，标准偏差随着水的质量流量的增加而增加。此外，从图5中显然的是，在空气的低流速下，即在实施例的本示例中，在明显低于350Hz的涡流频率，该行为仅应用到有限程度。因而，使用标准偏差来确定水(通常是第二相)的质量流量仅适用于对每种给定情况要确定的限值流速以上的流动介质的第一相的流速的情况。该限值流速同样取决于具体的涡流测量装置，尤其取决于测量管的直径以及第一相和第二相的性质。

如图9中显然的，可考虑标准偏差用于以对应于参照图5至7解释的方式来确定相互关系或拟合函数。

本发明并不限于参照各图所解释的实施例的示例。尤其地，可应用替代的统计评估选项，以便于确定测量信号的滤波的分析信号的幅值的大小的相对于时间的波动。此外，为了确定记录的测量信号的分析信号的幅值的大小的标准偏差，不绝对要求如上文解释那样补充相应的复部Q(t)(例如应用希耳伯特变换或通过使用方波滤波器)。例如，可在特定滤波的(尤其滤波至涡流频率周围的频率范围)测量信号超过最大或最小值时确定幅值大小。该确定可例如通过峰值检测器来进行。此外，也可用低通滤波器通过校验测量信号来确定幅值大小。另外可通过零通过计数器来确定涡流频率，其在每种情况下记录过滤的测量信号的零通过。同样，也存在本领域技术人员熟悉的用于从测量信号确定幅值以及涡流频率的其它方法。

Claims (24)

1.一种用于监测和/或测量在管线内流动的至少有时两相的介质的方法，所述两相介质具有第一密度的第一相，和具有不同于所述第一密度的第二密度的第二相，其中所述方法通过伸入所述流动介质内的阻流体并通过涡流传感器来执行，其中所述方法包括以下步骤：

a)借助于所述阻流体至少在所述涡流传感器附近的流动介质内产生卡门漩涡，其中所述漩涡通过所述阻流体以取决于所述流动介质的瞬时流速的涡流脱落频率脱落；

b)允许流动介质的所述第二相的至少一部分沿所述涡流传感器附近的壁流动；

c)借助于所述涡流传感器记录由所述流动介质内所述卡门漩涡产生的周期压力波动，使得产生对应于所述压力波动的传感器信号；

d)从所述传感器信号选择想要的信号分量，所述想要的信号分量具有频率带，所述频率带包含所述涡流脱落频率、并且具有小于瞬时涡流脱落频率的50%的相对带宽，其中所述瞬时涡流脱落频率对应于所述频率带的中心频率；以及

e)利用从所述传感器信号选择的所述想要的信号分量，检测所述流动介质的所述第二相的存在。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量管（4）布置为与竖直方向成角度，且所述涡流传感器（14）的敏感部分（16）布置在所述测量管（4）的下半部内。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述涡流传感器（4）的所述敏感部分（16）通过摆动部分（16）形成，所述摆动部分（16）通过发生的压力波动以摆动运动可移位；以及在记录的步骤中，将所述摆动部分（16）的摆动运动转换成电测量信号。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，较之流动介质的所述第一相的纯流动，在所记录的测量信号的窄带滤波的分析信号的幅值的大小的波动随着时间增加的情况下，测量信号包含沿所述测量管（4）的壁流动的介质的所述第二相的壁流与所述涡流传感器（14）的敏感部分（16）的相互作用的特征。

5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，较之流动介质的所述第一相的纯流动，在记录的测量信号的窄带滤波的分析信号的幅值的大小的标准偏差增加的情况下，测量信号包含沿所述测量管（4）的壁流动的介质的所述第二相的壁流与所述涡流传感器（14）的敏感部分（16）的相互作用的特征，其中所述标准偏差通过随时间记录的幅值的大小的预定数量的值形成。

6.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，较之流动介质的所述第一相的纯流动，在窄带滤波的测量信号的峰度增加的情况下，测量信号包含沿所述测量管（4）的壁流动的介质的所述第二相的壁流与所述涡流传感器（14）的敏感部分（16）的相互作用的特征，其中所述峰度通过随时间记录的该测量信号的预定数量的值形成。

7.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，为了评估测量信号是否包含沿所述测量管（4）的壁流动的介质的所述第二相的壁流与涡流传感器（14）的敏感部分（16）的相互作用的特征，首先将所述测量信号滤波至由涡流测量装置（2；26）记录的涡流频率周围的频率范围，且在评估中考虑所滤波的测量信号。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，参考相互关系，

其中在校准中，预定第二相的壁流的已知质量流量、由涡流测量装置（2；26）根据对于流动介质的所述第一相的不同流速的所述测量信号确定的涡流频率、以及每种情况下由所述涡流测量装置（2；26）根据所述测量信号或峰值确定的相关标准方差或峰度被设置彼此相关，

根据由所述涡流测量装置（2；26）从所述测量信号确定的涡流频率和由所述涡流测量装置（2；26）从所述测量信号确定的标准偏差或峰值来确定预定第二相的质量流量。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，考虑流动介质的所述第二相的确定的质量流量来校正由所述涡流测量装置（2；26）从涡流频率确定的介质的所述第一相的流速或体积流量。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，记录的测量信号通过两个平行的滤波器（34，36）滤波至涡流频率周围的窄频率范围，其中一个滤波器形成同相滤波器（36）且另一个滤波器形成方波滤波器（36），并且，为了获得具有瞬时幅值和相位的分析信号，选择所述方波滤波器的滤波系数使得输出的滤波的方波信号的相位较之同相信号发生90°的相偏移。

11.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述涡流传感器（14）具有摆动叶片（16），所述摆动叶片（16）穿过所述测量管（4）的下部内形成在所述阻流体（8）下游的开口（18）伸入流动路径内，且所述叶片（16）周围形成凹陷（20），用于容纳作为壁流流过的流动介质的第二相。

12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于检测介质的至少第二相或至少第三相的分布颗粒和/或液滴流的方法包括以下步骤：

f)记录声信号，所述声信号通过第二相或第三相的颗粒和/或液滴撞击在涡流测量装置（2）的伸入测量管（4）内的流动路径内的部件（8）上而产生，所述记录通过声换能器（31）进行，所述声换能器（31）一体地形成在所述部件（8）内或与所述部件（8）声联接；以及

g)利用所述声换能器（31）将由所述声换能器（31）记录的声信号转换成电信号。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述部件（8）由所述涡流测量装置（2）的所述阻流体（8）形成，且所述阻流体（8）具有大致垂直于流动方向（6）并面向流的撞击区域（27）。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述想要的信号分量的幅值曲线的标准偏差和/或基于所述想要的信号分量的峰度，检测所述流动介质的所述第二相的存在。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述瞬时涡流脱落频率对应于所述频率带的中心频率。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一相为气态和／或第二相为液态。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡流传感器放置在所述阻流体下游。

18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡流传感器放置在所述阻流体内。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，测量管（4）被水平地布置。

20.一种用于监测和/或测量在管线内流动的至少有时两相的介质的方法，所述两相介质具有第一密度的第一相，和具有不同于所述第一密度的第二密度的第二相，其中所述方法通过伸入所述流动介质内的阻流体并通过第一涡流传感器和第二涡流传感器来执行，所述第二涡流传感器（28）被布置在所述阻流体（8）的脱落边缘（12）下游并具有响应于压力波动并布置在水平布置或倾斜的测量管（4）的上半部内的敏感部分（30），所述方法包括以下步骤：

a)借助于所述阻流体至少在所述第一涡流传感器附近的流动介质内产生卡门漩涡，其中所述漩涡通过所述阻流体以取决于所述流动介质的瞬时流速的涡流脱落频率脱落；

b)允许流动介质的所述第二相的至少一部分沿所述第一涡流传感器附近的壁流动；

c)借助于所述第一涡流传感器记录由所述流动介质内所述卡门漩涡产生的周期压力波动，使得产生对应于所述压力波动的传感器信号；

d)从所述传感器信号选择想要的信号分量，所述想要的信号分量具有频率带，所述频率带包含所述涡流脱落频率、并且具有小于瞬时涡流脱落频率的50%的相对带宽，其中所述瞬时涡流脱落频率对应于所述频率带的中心频率；以及

e)利用从所述传感器信号选择的所述想要的信号分量，检测所述流动介质的所述第二相的存在；

其特征在于，通过第二涡流传感器（28）来记录压力波动，其中把通过所述第二涡流传感器（28）的所述敏感部分（30）记录的所述压力波动转换成电测量信号，所述电测量信号用作流动介质的所述第一相的纯流动的参考信号。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，在检测第二相的情况下，通过把所述第一涡流传感器的所述参考信号的被测变量与所述第二涡流传感器的所述测量信号的被测变量做比较，在被测变量的定义偏差的情况下，输出警告报告。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，警告报告被输出到涡流测量装置的显示器上和/或连接到所述涡流测量装置的控制系统上。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，以所述警告报告根据表示不同升级阶段的一个或多个阈值而发生的方式，输出警告报告。

24.一种用于监测和/或测量管线内流动的至少有时两相的介质的涡流测量装置，所述两相介质具有第一密度的第一相，并具有不同于所述第一密度的第二密度的第二相，其中监测和/或测量通过伸入所述流动介质内的阻流体进行，并通过放置在所述阻流体下游或所述阻流体内的涡流传感器进行，

所述阻流体（8）横向于流动方向（6）延伸到测量管（4）内，使得对于特定介质，在所述阻流体（8）的两侧上形成流动路径；且在所述阻流体（8）的两侧上实现至少两个脱落边缘（12），使得在使用期间卡门漩涡在这些脱落边缘上脱落；以及

关于安装位置，所述涡流传感器（14）布置在所述脱落边缘（12）的下游，并具有响应于压力波动的敏感部分（16），其中所述涡流测量装置实施为使得在使用期间通过所述敏感部分（16）记录的压力波动被转换成电测量信号，

其中：

所述涡流传感器（14）的所述敏感部分（16）被布置为至少部分地邻接所述测量管（4）的壁，以及

在使用期间电测量信号通过所述涡流测量装置的电子器件来处理，构造该电子器件，使得在记录沿所述测量管（4）的壁流动的两相或多相介质中第二相的壁流与所述涡流传感器（14）的所述敏感部分（16）相互作用的特征的测量信号的情况下，推断在所述测量管（4）内两相或多相介质的第二相的壁流的存在。