CN103282749B - 涡流测量装置中的密度校正的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于确定流经涡流测量装置（2）的测量管（4）的至少有时至少二相的介质的质量流量的方法。在此情况中，所述测量管（4）在测量横截面中具有至少一个用于产生涡旋的非流线形体（8），并且记录所产生涡旋的传感器确定介质在所述测量横截面的区域中的流速。本方法涉及根据以下的项确定介质在所述测量横截面的区域中的密度：介质在所述测量横截面的区域中的总比焓；介质在所述测量横截面的区域中的流速；介质在所述测量横截面的区域中的静态压力；和介质在所述测量横截面的区域中的静态温度。另外，根据介质在所述测量横截面中的所确定的流速、所确定的密度和流量横截面，确定所述质量流量。

Description

涡流测量装置中的密度校正的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定流经涡流测量装置的测量管的至少有时至少二相介质的质量流量的方法，其中该测量管在测量横截面中具有至少一个用于产生涡旋的非流线形体（bluff body），并且其中通过记录所产生的涡旋的传感器，确定介质在测量横截面的区域中的流速。本发明也涉及一种相应实施的涡流测量装置。
背景技术
为了管道中的可流动介质（例如，流体）的流量测量，尤其是高温度范围的气体流或蒸气流的流量测量，经常应用涡流测量装置。在该涡流测量装置的情况下，通常以下列方式，在流路中布置形成流动介质的流动障碍物的非流线形体，即介质能够在流动障碍物的两侧上流过。在该情况下，涡旋在流动障碍物的两侧上脱落。在该情况下，在大雷诺数范围内，涡旋在流动障碍物的两侧上交替脱落，以便产生交错涡旋排列。该交错涡旋排列被称为卡门涡街。在涡流测量装置的情况下，利用的原理在于，通过其形成这些涡旋的涡旋脱离频率与大雷诺数范围内的各自介质的流速，相应为体积流量，成比例。由涡流测量装置中的传感器记录所产生的涡旋。因此，根据所记录的涡旋的涡旋脱离频率（下文中也称为涡旋频率）和用于给定的涡流测量装置的类型的校准系数特性，能够确定流速，相应为体积流量。
如果管道内的过程条件位于流动介质或介质中所含的材料的相变区域中，那么就能够在介质中发生相变。然后，介质以两种或更多种相存在。尤其是，一部分气态介质能够液化出来。在通过涡流测量装置确定质量流量或体积流量的情况下，在该情况下存在一个问题，即该装置必须在非流线形体区域中的测量管（测量横截面）中具有与非流线形体上游和下游的测量管的截面相比缩小的流动横截面。通过该方式，局部提高了介质在测量横截面的区域中的流速。在不可压缩介质的情况下，能够将该效应相对简单地包括在校准系数中，通过该校准系数，考虑测量横截面的区域中的流速和位于测量横截面上游或下游的区段（下文中称为连接管区域）中的流速之间的比例（根据流量横截面的比例确定）。然而在可压缩介质，诸如在气体的情况下，该比例不固定。例如，在气态介质的情况下，在测量横截面的区域中发生明显的温度下降和压降。测量横截面的区域中的介质的密度与连接管区域中的密度明显不同。另外，能够发生下列情况，其中由于横截面的区域中的不同过程条件，一部分介质液化，同时在连接管区域中，介质再次蒸发。这导致测量横截面的区域中的介质密度相当大地偏离连接管区域中的介质密度。通常，能够发生下列问题，其中由于测量横截面的区域中存在的过程条件，一部分介质经历相变，并且该相变随后在连接管区域中逆转。如果以涡流测量装置的各自类型所特定的恒定校准系数，从测量横截面的区域中局部测量的流速（作为替换，测量横截面的区域中局部测量的体积流量）开始计算连接管区域中的流速，那么由于上述效应发生误差。当由于过程条件在测量横截面的区域中局部出现，一部分介质在测量横截面的区域中发生相变时，该问题尤其存在。
因此，本发明的目标是提供一种用于确定流量的测量值的方法以及一种相应实施的涡流测量装置，在该情况下，防止由于一部分介质在测量横截面的区域中发生局部相变导致的发生测量误差。
发明内容
通过权利要求1中限定的方法以及权利要求13中限定的涡流测量装置实现该目标。在从属权利要求中提出本发明的进一步有利扩展。
本发明提供了一种用于确定流经涡流测量装置的测量管的至少有时至少二相的介质的质量流量的方法。在该情况下，该测量管在测量横截面中具有至少一个用于产生涡旋的非流线形体，并且通过记录所产生的涡旋的传感器，确定介质在测量横截面的区域中的流速。在该情况下，本方法包括下列步骤：
A）根据以下确定介质在测量横截面的区域中的密度：介质在测量横截面的区域中的总比焓；介质在测量横截面的区域中的流速；介质在测量横截面的区域中的静态压力；和介质在测量横截面的区域中的静态温度；以及
B）根据介质在测量横截面的区域中的所确定的流速、所确定的密度和流量横截面，确定质量流量。
由于根据本发明，确定了介质在测量横截面的区域中的密度，所以可能根据该密度，以及介质在测量横截面的区域中的流速（如由涡流测量装置在测量横截面的区域中局部记录的）和介质在测量横截面的区域中的流量横截面（通过装置尺寸已知），计算介质的正确质量流量。由于质量流量在沿介质输送管道的所有点处都恒定，所以如此确定的质量流量也形成连接管区域的正确值。因为在确定密度的步骤（步骤A））的情况下，输入了介质在测量横截面的区域中的总比焓、介质在测量横截面的区域中的流速、介质在测量横截面的区域中的静态压力和介质在测量横截面的区域中的静态温度，所以在给定情况下，考虑了一部分介质已经经历了相变。因而防止了下列事实导致的在确定的质量流量中的测量误差，即在测量横截面的局部区域中，已经发生了一部分介质的相变。
在本发明的方法的情况下（并且因此，也在随后解释的本发明的涡流测量装置的情况下），在每种情况下，都能够确定各个权利要求中给定的物理变量，或者作为替换，能够确定该变量的替换物理变量特性，以便根据该可替换物理变量，通过分别提出的众所周知的物理关系，可获得物理变量。该基本原理尤其支持确定流速、密度（比较步骤A））和质量流量（比较步骤B））。例如，流速的可替换物理变量是体积流量。同样地，在为了确定（例如，比较步骤A）和B））能够考虑的分别提出的物理变量情况下，在每种情况下，都能够考虑各个权利要求中提出的物理变量，或者作为替换，能够考虑另一物理变量，在该情况下，通过众所周知的物理关系，已知能够为了确定而相应地考虑这些物理关系。在确定密度（比较步骤A））的情况下，该基本原理尤其支持密度、总比焓、流速、静态压力和静态温度，以及在确定质量流（比较步骤B））的情况下，尤其支持流速、密度和流量横截面。因此，在随后解释的确定物理变量（例如，参考进一步扩展）时，这些基本原理也相应地支持，但是将不再每次都明确指出。
如在本技术领域众所周知的，流动介质的静态压力和动态压力的和给出其总压力。相应地，流动介质的静态温度和动态温度的和给出其总温度。在该情况下，在本技术领域已知相应的传感器，通过该传感器，可记录流动介质，尤其是在测量横截面的区域中的流动介质的，静态压力和静态温度。
该介质通常是可流动介质，其能够由（单一）材料（例如，H2O）或混合物（例如，含水汽或蒸汽的空气）形成。该介质尤其以气相存在，其中一部分该介质有时或者持续以第二相（液体或固体）存在。在该情况下，第一和第二相能够由一种和相同材料形成，其中第一部分以第一相（相应为聚集态）存在，并且第二部分以第二相（相应为聚集态）存在。如果该介质由多种材料（例如，不同的气体，尤其是含蒸汽的空气）组成，那么在所述过程条件下，至少部分液化（即，相变成液相）或冻结（即，相变成固相）尤其是其的仅一种材料。此外，该介质也能够产生至少一种其他相，诸如固体颗粒（例如，沙子或灰尘），然而，在该情况下，对于所述过程条件，不发生相变。因而，该介质也能够具有超过仅两种相。
其中布置有非流线形体的测量管尤其形成涡流测量装置的一部分，并且该测量管被插入载有流动介质的管道中。作为替换，其也能够形成各自管道的整体组件。由在流动介质中的非流线形体产生的涡旋尤其形成卡门涡旋，其可由涡旋、流体测量装置的至少一个相应涡旋传感器记录。该非流线形体尤其包括以下列方式形成的两个脱落边缘，即在使用时，卡门涡旋在这些脱落边缘上脱落。总比焓尤其由介质的比焓和比动能的和形成。
在进一步扩展中，在该涡流测量装置中执行确定流速、确定密度（比较步骤A））和确定质量流量（比较步骤B））的步骤。尤其是，由非流线形体所产生的涡旋由传感器（通过至少一个相应形成的传感器）记录，并且通过该涡流测量装置的相应形成的电子器件执行下列确定步骤。在该情况下，该电子器件能够被实施成数字和/或模拟的，诸如本技术领域众所周知的。
通常，不能直接确定在测量横截面的区域中的总比焓。在进一步扩展中，根据流动介质从中被移除系统的（静态）压力和（静态）温度确定介质在测量横截面的区域中的总比焓，其中介质在被移除之前静止在该系统中。在该静止系统中，总压力和总温度分别相应于介质的静态压力和静态温度。尤其是，在该系统中介质仅以一种相存在，诸如例如气相。尤其是，假设该总比焓由系统路径上的介质保持，直到测量横截面。在该情况下，尤其是做出下列简化假定，即包含介质的固定流量，并且在系统和测量横截面之间不存在热源，所以没有发生通往或来自介质的热流量，所以不发生摩擦，和不发生势能变化。其中讨论中的介质静止的系统中的总比焓相应于比焓。这能够通过介质在系统中的（静态，相应为总）压力和（静态，相应为总）温度的已知相关性来确定。如果介质由多种在每种情况下都已知质量份额的材料（元素，诸如O2，或者化合物，诸如H2O）组成，那么在每种情况下，都能够单独确定不同材料的总比焓。基于不同材料的各自质量份额，能够作为整体确定介质的总比焓。
在进一步扩展中，根据位于该测量横截面上游或下游的区段中的介质的已知总比焓，考虑对该上游或下游区段直至所述测量横截面的流动介质的热传递，确定介质在测量横截面的区域中的总比焓。尤其是，提供已知总比焓的区段位于测量横截面的区域的上游。尤其是，该区段也可以是上述的系统，流动的介质被从该系统移除并且在被移除之前介质静止在该系统中。然而，作为替换，该区段也能够是沿介质流路的另一区段，其中已知总比焓。对直至测量横截面的区域的其中已知介质的总比焓的区段的流动介质的热传递可取决于应用，作为热供应或热移除。此外，诸如下文详细解释的，对介质的热传递取决于介质的质量流量。
在进一步扩展中，记录介质在测量横截面的区域中的静态压力和静态温度。能够考虑这些测量值，以确定介质的密度（比较步骤A））。尤其是，在测量横截面的区域中提供至少一个压力传感器，以记录静态压力。在进一步扩展中，在测量横截面的区域中提供至少一个温度传感器，以记录静态温度。
在进一步扩展中，流动介质包含至少一种材料，至少在部分可能的（相应讨论中的）过程条件下，该材料按第一质量份额以第一相（相应为聚集态）存在于测量横截面的区域中，并且该材料按其余的第二质量份额以第二相（相应为聚集态）存在。材料在该背景下的是元素（例如，O2、N2等等）或者化合物（例如，CO2、H2O等等），尤其是在通过各自相变的情况下，该材料保持化学性质不变。在该情况下，如上所述，该介质也能够由多种材料（例如，气体混合物，具有液体份额的气体混合物等等）组成，其中优选，已知单独材料的质量份额。在该情况下，优选的是，在讨论中的过程条件下，恰好仅一种材料能够以两种相（相应为聚集态）存在，并且在每种情况下，另外的材料都恰好仅以一种相存在。在进一步扩展中，在该情况下，第一相是气相，第二相是液相。尤其是，该流体介质由蒸汽形成，在该情况下，至少在讨论中的过程条件的情况下，在测量横截面的区域中，一部分蒸汽能够液化，所以存在湿蒸汽。作为替换，例如，该介质也能够由载有蒸汽的空气形成，在该情况下，至少在讨论中的过程条件的情况下，在测量横截面的区域中，产生的蒸汽的一部分能够被液化。
在进一步扩展中，通过求解方程中第一相的材料的第一质量份额来确定该材料的第一质量份额，其中通过下列各项的和来表示介质在测量横截面的区域中的总比焓：介质在测量横截面的区域中的动能；第一相的材料在测量横截面的区域中的比焓乘以材料的第一质量份额；第二相的材料在测量横截面的区域中的比焓乘以材料的第二质量份额；以及在给定情况下，还有介质中所含的以其各自相存在的另外的材料在测量横截面的区域中的比焓乘以它们各自的质量份额。由此，也能够确定第二相的材料的第二质量份额。如果该介质由多种材料形成，那么各自材料的质量份额应当已知。因此，诸如下文所解释的，当一部分材料经过相变时，也能够正确确定在测量横截面的区域中存在的密度。在进一步扩展中，能够通过下列确定介质在测量横截面的区域中的密度：第一相的材料的第一质量份额及其在测量横截面的区域中的密度；第二相的材料的第二质量份额及其在测量横截面的区域中的密度；以及在给定情况下，还有介质中所含的以其各自相存在的另外材料的质量份额，及它们在测量横截面的区域中的各自密度。
在进一步扩展中，根据介质在测量横截面的区域中存在的静态压力以及介质在测量横截面的区域中存在的静态温度，确定在测量横截面的区域中存在的下列变量的至少一个：
·第一相的材料在测量横截面的区域中的比焓；
·第二相的材料在测量横截面的区域中的比焓；
·介质中所含的以其各自相存在的另外材料在测量横截面的区域中的其他比焓；
·第一相的材料在测量横截面的区域中的密度；
·第二相的材料在测量横截面的区域中的密度；和/或
·介质中所含的以其各自相存在的另外材料在测量横截面的区域中的密度。
如众所周知的，能够基于各自材料的静态压力和静态温度，确定特定相（相应为聚集态）的各自材料的比焓。尤其用于此的是相应的相关关系。同样地，能够基于各自材料的静态压力和静态温度，确定特定相（相应为聚集态）的各自材料的密度。通过该方式，能够基于在测量横截面的区域中存在的静态压力和静态温度，以简单方式确定本发明的方法所需的变量。
在进一步扩展中，电子存储介质在测量横截面的区域中的密度对下列项的先前确定的依赖性：介质在测量横截面的区域中的总比焓、介质在测量横截面的区域中的流速、介质在测量横截面的区域中的静态压力和介质在测量横截面的区域中的静态温度，并且，在确定介质在测量横截面的区域中的密度的步骤的情况下，基于下述在测量横截面的区域中实际存在的值来确定密度：介质在测量横截面的区域中的总比焓、介质在测量横截面的区域中的流速、介质在测量横截面的区域中的静态压力和介质在测量横截面的区域中的静态温度。尤其能够较早地实验性发生密度和分别提出的物理变量的依赖性确定。尤其是在校准测量的背景下，在每种情况下，都能够在相关涡流测量装置中设置不同的已知质量流量值，并且记录或确定在测量横截面的区域中存在的另外物理变量（总比焓、流速、静态压力、静态温度）。然后，根据在测量横截面中局部测量的流速（也为局部测量的体积流量）和在每种情况下的已知质量流量值，能够确定介质在相关过程条件下，在测量横截面的区域中的密度。尤其对在每种情况下，在测量横截面的区域中存在的上述物理变量（总比焓、流速、静态压力、静态温度）的不同值，执行该实验性确定，以便能够确定在测量横截面的区域中的密度与这些变量的依赖性。作为上文解释的实验性确定的替换，也能够通过计算发生该确定。“电子存储”尤其发生在该涡流测量装置的电子存储器中，其能够访问在该涡流测量装置的处理单元。如果一个或更多实际（使用中的）记录或确定的物理变量（总比焓、流速、静态压力、静态温度）不在每种情况下都严格符合一种电子存储的物理变量（例如，而是位于两个值之间），那么在确定密度时，能够在各自相邻的存储值之间执行相应的插值法。基本上，在该进一步扩展的背景下，能够确定密度，或者能够确定密度的变量特征，可通过众所周知的已知关系，从该变量特征获得密度。作为密度的替换，例如，在每种情况下，能够在电子存储不同的过程条件及其与上述物理变量（总比焓、流速、静态压力、静态温度）的依赖性之前，确定能够以两种相存在的材料的第一质量份额。此外，在该进一步扩展的背景下，能够确定（在校准测量的背景下，或者通过计算）需要确定的另一种物理变量，诸如在连接管区域中的体积流量。根据这些上述变体，也能够以可变方式实施随后解释的表。
在进一步扩展中，以多维表的形式存储介质在测量横截面的区域中的密度对下列的依赖性：介质在测量横截面的区域中的总比焓；介质在测量横截面的区域中的流速；介质在测量横截面的区域中的静态压力；和介质在测量横截面的区域中的静态温度。
此外，本发明涉及一种用于确定在使用时流经测量管的至少有时至少二相介质的质量流量的涡流测量装置，其中该涡流测量装置包括：至少一个非流线形体，其被布置在测量管内部，用以产生涡旋；至少一个涡旋传感器，用以记录所产生的涡旋；和电子器件，用以确定介质在测量横截面的区域中的流速。在该情况下，该涡流测量装置的电子器件以下列方式实施，即其能够通过下列确定介质在测量横截面的区域中的密度：介质在测量横截面的区域中的总比焓；介质在测量横截面的区域中的流速；介质在测量横截面的区域中的静态压力；和介质在测量横截面的区域中的静态温度，以及根据介质在测量横截面的区域中所确定的流速、所确定的密度和流量横截面，能够确定介质的质量流量。通过本发明的涡流测量装置，可通过相应方式实施上文参考本发明的方法解释的进一步扩展和变体。因为其可技术性检测，尤其是被相应实施的电子器件技术性检测，所以上述方法步骤由本发明的涡流测量装置执行。在进一步扩展中，该涡流测量装置在测量横截面的区域中包括：压力传感器，用以确定介质在测量横截面的区域中的静态压力；和/或温度传感器，用以确定介质在测量横截面的区域中的静态温度。
附图说明
基于下文参考附图的实施例的实例的描述，本发明的其他优点和用途将变得明显，附图示出如下：
图1是涡流测量装置的透视、部分切开视图的示意性表示；
图2是含有用于示出在测量横截面的区域中发生相变的涡流测量装置的测量管的轴的示意性横截面图。
具体实施方式
图1以透视图示意性示出了涡流测量装置2。该涡流测量装置2包括测量管4，在图1中示出其被部分切开。在使用时，测量管4被以下列方式插入管道（未示出）中，即在管道中流动的流体在流动方向6流经测量管4。该涡流测量装置2包括非流线形体8，其在测量管4中以下列方式横向于流动方向6延伸，即在每种情况下，在非流线形体的两侧上都形成流路。尤其是，非流线形体8在贯穿测量管4的总内部横截面的直径方向中延伸。在该情况下，非流线形体8以下列方式实施，即其在面对流量的一侧（图1中隐藏）上具有冲击表面，各自流体相对该冲击表面流动。限制冲击表面两侧的是横向表面10，其中两个横向表面10在流动方向6朝着彼此倾斜，由此非流线形体8具有本质上Δ形状的横截面。在冲击表面的两侧上提供的是涡旋脱离边缘12（在图1中，仅可见两个脱离边缘12中的一个），其每个都是从冲击表面向各自相邻横向表面10的过渡。如基于图1应明白，各自介质能够在非流线形体8的两侧上流过，其中，如上所述，在每种情况下，在两个脱离表面12上交替地脱离涡旋。因此，在使用时，在两个脱离区域12后的区域中形成卡门涡街。
此外，该涡流测量装置2包括布置在非流线形体8下游的涡旋传感器14。在实施例的当前实例中，该涡旋传感器14包括扁板16，其通过在测量管4中形成的孔18延伸到流路中。在该情况下，扁板16被布置在与非流线形体8平行的静止位置，并且与其对齐。扁板16能够在垂直于流动方向6和垂直于扁板16的延长的方向枢轴旋转。结果，在使用中，扁板16能够在压力波动，尤其是因为所形成的涡旋，的影响下而往复运动。通过相应的涡旋传感器将扁板16的摆动运动转换为可电处理的测量信号。例如，该涡旋传感器能够为DSC传感器（DSC：差分开关电容器）。在这种传感器中，可枢轴旋转段的摆动运动被两个电开关电容器转换为差分电荷变化。除其他之外，该涡流测量装置2的电子器件（未示出）评估涡旋传感器14提供的传感器信号。尤其是，该电子器件能够确定所记录的涡旋频率，并且根据其确定流速（相应地，补充地或作为替换，体积流量）。下文将进一步详细解释该确定。随同这些，该电子器件尤其还能够确定和/或评估物理变量、评估另外传感器的传感器信号、执行有线和无线通信等等。
此外，图1以虚线图示示出了在非流线形体8中植入的涡旋传感器22形式的可替换变体。在该可替换变体的情况下，在非流线形体8中的平行于非流线形体8的延长方向提供盲孔24，以容纳涡旋传感器22。该盲孔24包括至少一个开口25，其在测量管24内部的各自介质和盲孔24之间产生流体连接。因此，布置在盲孔24中的涡旋传感器22能够记录压力波动，该压力波动在脱离边缘10的下游的测量管4中发生，尤其由涡旋产生，并且涡旋传感器22将该压力波动转化为可电处理的测量信号。
图2示出含有涡流测量装置26的测量管28的轴线的示意性横截面图。在下文，处理对解释发生在测量横截面的区域中的相变有决定意义的那些细节。布置在测量管28中的是非流线形体30，在图2的横截面图中示出其垂直于其延长方向。非流线形体30具有实质梯形的横截面，其中较大的底面面对流量（比较图2中的流动方向32）。在非流线形体30后形成的是死水区域34，其横截面具有实质椭圆形的形状，并且在图2中被示意性示出。非流线形体30的区域和其上的接续的死水区域34被称为测量横截面36，在图2中以虚线示出其中心38（相对于流动方向32）。中心38的区域尤其是在涡旋传感器（图2中未示出）与非流线形体30，诸如扁板分离的位置，测量流速。流动介质的流动横截面在测量横截面36的区域中缩小。通过绕测量横截面36的区域从连接管40、42减缩测量管28，补充性地放大该效果，其中每个连接管40、42都具有连接管横截面44。此外，该涡流测量装置26在测量横截面36的区域中包括：温度传感器48，用以记录介质（在测量横截面36的区域中）的静态温度；以及压力传感器50，用以记录介质（在测量横截面36的区域中）的静态压力。在每种情况下，温度传感器48和压力传感器50都与该涡流测量装置26的电子器件52连接。
例如，如果湿空气（介质）流经其中插入该涡流测量装置26的管道，那么管道中的湿空气能够完全为气态，所以仅存在一种相。在测量横截面36的区域中，由于缩小的流动横截面，所以介质的流速增大，这导致其温度和其压力下降。因而，通过在测量横截面36的区域中的这些过程条件，能够跨过空气中所含的水的气-液（作为替换：气-固）相界，所以湿空气中所含的水至少部分液化（相应地作为替换，凝华）。在测量横截面36的区域中，通过液滴46示意性示出该液化。在测量横截面36后，一旦流动横截面已经恢复至其原始尺寸，水就恢复为气态，并且液滴46消失。因而，介质（这里是湿空气）在测量横截面36的区域中的密度偏离其在连接管区域40、42中的密度。
作为替换，已经存在于管道中的过程条件可以是湿空气中所含的一部分水液化（相应地作为替换，凝华），并且被以液相（尤其是液体液滴）（相应地作为替换：固相颗粒）携带。由于在测量横截面36的区域中缩小的流动横截面，所以湿空气中所含的另外部分气态水在该区域中液化（相应地作为替换，凝华）。在测量横截面36后，一旦流动横截面已经恢复至其原始尺寸，该另外部分就恢复为气态，并且介质本质上恢复成在液态和气态水之间平衡，诸如与其在上游连接管区域40中。在该情况下，介质（这里：湿空气）的密度在测量横截面36的区域中也偏离其在连接管区域40、42中的密度。在具有许多不同材料（O2、N2、CO2、H2O等等）的湿空气的情况下，并且通常在具有许多不同材料的介质的情况下，在应用本发明方法的情况下，优选地，在连接管区域40、42中和在测量横截面36的区域中的过程条件是这样的，即最多一种材料存在两种相（相应地，在给定情况下，能够忽略存在两种相的另外材料发生的相变）。然而，作为替换，也能够发生其中介质仅由一种材料（例如，H2O）形成的情况，这是如下的情况，在连接管区域40、42中存在的变体仅存在一种相（尤其是气相），并且其中在测量横截面36的区域中，一部分材料液化（即，气-液相混合物）或凝华（即，气-固相混合物）。在另外改型的情况下，在介质仅由一种材料形成时，已经存在于连接管区域40、42中的一部分材料液化或凝华，其中，然后该部分在测量横截面36的区域中增多。
在下文中，现在将解释本发明的方法的实施例形式，和分别相关的物理公式的推导。如在本技术领域中已知的，能够通过纳维-斯托克斯方程描述流场。对于固定的控制体积，纳维-斯托克斯方程以下列整体形式诠释，其中方程（1）表达质量转换，方程（2）表达动量转换，并且方程（3）表达能量转换。
在此情况下，t代表时间，V代表固定控制体积，ρ代表密度，S代表固定控制体积的边界表面积，代表速度向量，代表边界表面积的法向量，p代表压力，代表单位体力，u代表速度幅值，τ代表粘性应力张量，e代表比内能，代表热流量向量，并且Q代表比体积能量增加。
通过假定流量是固定的，根据质量转换（比较方程（1））得出下列结果：
这意味着，进入控制体积的质量流量（由方程（5）中的下标1表达）等于离开控制体积的质量流量（由方程（5）中的下标2表达）。在下列方程（5）中表达该关系。这能够基于图2示出，其中由圆圈中的“1”指示在上游连接管40区域中的位置“1”，其中存在流速u1、密度ρ1和流动横截面A1。如圆圈中的“2”所示，在图2中进一步示出在测量横截面36的中心38区域中的位置“2”，其中存在流速u2、密度ρ2和流动横截面A2。在该例示性实例的情况下，例如，控制体积由位置“1”和“2”之间封入的体积以及由测量管28形成，其中省略了非流线形体30的体积和死水区34的体积。
（5）ρ1u1A1＝ρ2u2A2
以一般形式，这意味着下文方程（6）表达的质量流量对于管道中的固定流恒定。在该情况下，在方程（6）中，为质量流量，ρ为密度，u为平均流速并且A为可用流量横截面。尤其是，质量流量不沿介质的流路而变化。诸如下文将详细解释的，在本发明的方法中利用该原理。在本发明的方法中，即基于在测量横截面的区域中局部存在的过程条件，正确确定在测量横截面的区域中的质量流量。该质量流量独立于流动介质可能发生的密度变化，在沿流路的每个位置处存在（在假定固定流量的情况下）。
在不可压缩介质的情况下，诸如在液体的情况下，使用涡流测量装置来确定连接管区域中存在的体积流量是相对简单的。如可由传感器记录的、由非流线形体形成的涡旋的涡旋脱离频率f在大雷诺数范围内，其与在测量横截面的区域中局部存在的流速以及与在测量横截面的区域中局部存在的体积流量成比例。因为在不可压缩介质的情况下，介质沿其流路的密度保持恒定，所以涡旋脱离频率也与在连接管区域中的体积流量以及在连接管区域中的流速uA成比例。这能够通过相应的校准系数kf来说明。在该情况下，校准系数kf尤其特别用于各自类型的涡流测量装置。通过下列方程（7）表达所解释的关系，其中AA表示在连接管区域中的流量横截面：
相反，在可压缩介质的情况下，密度ρ是局部静态压力p和静态温度T的函数，这由下列公式（8）表达：
（8）ρ＝ρ(p,T)
在唯一气态（即单一相）介质的情况下，能够相对简单地确定密度对压力和静态温度的依赖性。然而，如果在测量横截面的区域中的过程条件位于介质中所含材料的相变区域内，那么，通过以不同相存在的材料部分补充确定介质的密度。在该情况下，材料的全部部分不突然经历相变。相反，相变逐渐发生。在相变时，该情况可能是，相关相变的相变焓，诸如液化焓，被散发或吸收。
由于其操作方式，即使介质以两相或更多相存在，涡流测量装置也能够相对准确地确定存在于测量横截面的区域中的介质的流速u（相应地其体积流量）。由于液相（相应地作为替换：固相）和气相之间的高密度差，即使液相（相应地作为替换：固相）相是相当大的质量份额，该气相也形成主要体积部分。优选气相的质量份额xg为>0.5。
为了确定质量流量，必须尽可能准确地确定处于测量横截面的区域中的局部密度。下文将基于气-液相变，解释介质在测量横截面的区域中的密度的确定。在所有解释的实施例形式，诸如下文将详细解释的实施例形式的情况下，都通过总比焓、流速、静态压力和静态温度确定密度，其中在所有物理变量的情况下，参考测量横截面的区域。在该情况下，通过下列确定在测量横截面的区域中的密度：第一（例如，气）相的材料（例如，H2O）的第一质量份额，及其在测量横截面的区域中的密度ρg；第二（例如，液）相的材料的第二质量份额，及其在测量横截面的区域中的密度ρl；以及在给定情况下，处于其各自（例如，气）相的、包含在介质中的另外材料（例如，干燥空气）的质量份额，及它们在测量横截面的区域中的各自密度ρr。如果介质严格由在过程条件的情况下处于气相以及液相的一种材料（例如，H2O）形成，那么，就能够根据下列表达介质在测量横截面的区域中的密度ρ：在测量横截面的区域中的静态压力p；在测量横截面的区域中的静态温度；和气相质量份额xg。在下列公式（9）中提出该关系，其中ρg(p,T)是根据静态压力p和静态温度T的该材料的气相密度，和ρl(p,T)是作为静态压力p和静态温度T的函数的、该材料的液相密度。在该情况下，已知各自材料的各自相的密度的压力和温度依赖性（例如，可通过相关材料的相应相关性获得）。
如果，介质（例如，湿空气）由多种材料形成，并且包括（仅仅）如下一种材料（例如，H2O），其至少在测量横截面的区域中的一部分可能过程条件的情况下，以两种相存在，即气相和液相，那么介质在测量横截面的区域中的密度ρ能够被表达为下列的函数：在测量横截面的区域中的静态压力p；在测量横截面的区域中的静态温度；假设已知的该材料的质量份额x（材料的总质量相对介质的总质量）；和在测量横截面的区域中的气相的质量份额xg（气相材料总质量相对材料总质量）。在下列方程（10）中提出该关系，其中ρr(p, T)为作为静态压力p和静态温度T的函数的、残余气态介质（例如，干燥空气）的密度（对于密度ρr，该函数已知）：
如根据方程（9）和（10）所明白的，介质（例如，湿空气）在测量横截面的区域中的密度ρ能够被表达为下列的函数：第一（这里为气）相的材料（例如，H2O）的第一质量份额x*xg，及其在测量横截面的区域中的密度ρg；第二（这里为液）相的材料的第二质量份额x*(1-xg)，及其在测量横截面的区域中的密度ρl；以及在给定条件下，包含在介质中的以其各自（这里为气）相的另外材料（例如，干燥空气）的进一步质量份额(1-x)，及它们在测量横截面的区域中的各自密度ρr。因而，为了正确确定介质的密度ρ，必须确定气相的质量份额xg。为此使用方程（3），其形成一种纳维-斯托克斯方程，并且表达能量转换。通过简单假定存在固定流、不存在热源、不发生流向介质或从介质流出热、不发生摩擦和不发生势能变化，在每种情况下，方程（3）的第1以及第4-7项等于0。因此，导致下列方程（11）的能量转换：
在该情况下，在方程（11）中，h是比焓，其能够被表达为如方程（12）中所给出的。此外，h0是介质的总比焓，其能够被表达为如方程（13）中所给出的。
参考以上所解释的控制体积，因此如下文方程（14）中提出的，认为流入控制体积的总比焓的流量（在方程（14）中由下标1指示）等于流出控制体积的总比焓的流量（在方程（14）中由下标2指示）。将方程（5）代入，如方程（15）所示的，通过方程（14）得出，在上述（简化）假定的情况下，总比焓h0的流量恒定。
此外，能够将介质的总比焓表达为下列的和：介质在测量横截面的区域中的动能；第一（例如，气）相的材料（例如，H2O）在测量横截面的区域中的比焓hg(p,T)乘以第一相的材料的第一质量份额；第二（例如，液）相的材料在测量横截面的区域中的比焓hl(p,T)乘以第二相的材料的第二质量份额；以及在给定情况下，还有包含在介质中的以它们各自（尤其是气）相存在的另外材料（例如，干燥空气）的比焓hr(p,T)乘以它们各自的质量份额。如果介质唯一地由如下一种材料（例如，H2O）形成，其至少在部分可能的过程条件下以二相存在，那么方程（16）就导致给定关系。如果介质（例如，湿空气）由多种材料形成，并且包括（仅仅）如下一种材料（例如，H2O），其至少在部分可能的过程条件下，在测量横截面的区域中以二相存在，即气相和液相，那么方程（18）就导致给定关系。如果对第一（例如，气）相的材料（例如，H2O）的质量份额求解这些方程（16）、分别（18），那么就分别产生方程（17）。
在该情况下，能够基于在测量横截面的区域中存在的，基于对不同材料存在的相关性的静态温度T和静态压力p的值，确定：第一（例如，气）相的材料（例如，H2O）的比焓hg(p,T)；第二（例如，液）相的材料的比焓hl(p,T)；以及包含在介质中的另外材料（例如，干燥空气）的比焓hr(p,T)。因而，为了能够确定第一（例如，气）相的材料（例如，H2O）的质量份额，仍必需确定介质在测量横截面的区域中的总比焓h0。下文解释用于该确定的选项。
如上文参考方程（14）和（15）所述，给出上述简单假定，沿介质流路的总比焓h0流量是恒定的。如果从下列（至少大部分热力学平衡）系统获取介质，其中介质在移除之前静止，然后就能够通过介质在该系统内具有的静态（相应地总）压力p0和静态（相应地总）温度T0，确定流动介质在测量横截面的区域中的总比焓h0。例如，能够以具有已知高压釜压力和已知高压釜温度的高压釜形成该系统。作为替换，对于其中将周围环境空气吸入讨论中的管道的情况下，该系统能够以周围环境压力和周围环境温度为特征。在该系统中的介质尤其是完全气态。总比焓h0相应于其中讨论中的介质静止（并且处于热力学平衡）的系统中的比焓h(p0,T0)。能够基于介质在该系统中的（静，相应地总）压力p0和（静态，相应地总）温度T0的已知相关性，确定处于其各自相的各自材料的比焓h(p0,T0)。如果在每种情况下，介质都由已知质量份额的多种材料（元素，诸如O2，或者化合物，诸如H2O）组成，那么在每种情况下，都能够（根据压力p0和静态温度T0）对处于其各自相的不同材料，确定介质在该系统中的比焓h(p0,T0)。然后，能够基于不同材料在该系统中的各自质量份额，确定整个介质的比焓h(p0,T0)。在测量横截面的区域中，介质的总比焓h0由比焓h(p,T)和比动能u2/2组成。在下列方程（20）中表达该关系。
如果沿其流路发生对介质的热传递，则也可根据位于该测量横截面上游或下游的区段中的介质的已知总比焓h0,a，通过考虑对该区段（下标a）直至测量横截面（下标b）的流动介质的热传递，确定介质在该测量横截面的区域中的总比焓h0,b。这种改型通过下列方程（21）来表示，其中项代表穿过各自系统边界的热流，Qa-b为（从相关区段直至测量横截面b的对流动介质的）总热传递，并且为介质的质量流量。根据方程（21）可以看出，也能够以相应方式，通过在方程（21）中设置相应另外的项来考虑对流动介质的其他能量传递。
在方程（21）中还出现介质的质量流量，其确切的确定是本发明方法的非常清晰的主题。该问题可特别是迭代地求解。为此，首先，尤其出现在区段（下标a）中的已知总比焓h0,a，能够被应用作为介质在测量横截面的区域中的总比焓（例如，在方程（17）和（19）中）。由此，根据本发明的方法，然后能够确定质量流量（诸如下文将详细解释的）。继而，所确定的质量流量能够被应用在方程（21）中。然后据此，能够使用方程（21）确定在测量横截面的区域中的总比焓h0,b。然后，继而能够将其作为介质在测量横截面的区域中的比焓考虑，以根据本发明的方法确定质量流量。在该情况下，能够执行许多迭代，直到获得充分正确的结果，相应地，直到所获得的质量流量值不再由于继续迭代而明显变化。
此外，参考方程（21），还存在下列机会，即如上述，当从静止系统移除介质时，通过介质在该系统中的总比焓（比较方程（20）），形成介质的已知总比焓h0,a。通过方程（21）的应用，然后可考虑对系统流路上的直至测量横截面的流动介质的热传递。
根据基于方程（20）的方法和/或根据基于方程（21）的方法所获得的介质在测量横截面的区域中的总比焓h0能够被代入方程（17）、分别（19）中。然后，由此能够计算第一相的材料（例如，H2O）在测量横截面的区域中的质量份额xg。然后，继而能够将质量份额xg代入方程（9）、分别（10）。然后，由此能够确定介质在测量横截面的区域中的密度。然后根据介质在测量横截面的区域中的所确定的流速u、介质在测量横截面的区域中的所确定的密度ρ、和介质在测量横截面的区域中的流动横截面积A，根据方程（6）确定质量流量。
如果将要确定介质在连接管中的体积流量，那么仍必须将根据方程（6）获得的质量流量除以在连接管区域中存在的介质密度（例如，比较图2中的ρ1）。继而，该密度是连接管区域中的静态压力和静态温度的函数。只要密度是未知，其必须被确定。如果该介质是唯一气体，那么能够简单地根据连接管区域中存在的静态压力和静态温度，确定密度。相反，如果也在该连接管区域中，材料以两相存在，那么不可能直接确定密度。此处，例如，相应地，诸如对在测量横截面的区域中的密度所描述的，也能够确定介质在连接管区域中的局部流速和总比焓。通过这些变量，与在每种情况下都存在于连接管区域中的静态压力和静态温度一起，能够然后确定在连接管区域中的密度。
本发明不限于参考附图所解释的实施例。例如，能够以各种方式，如根据现有技术已知的方式，构造该涡流测量装置。尤其是，基本构造能够相应于涡流测量装置，诸如在发明内容部分解释的装置。关于涡旋传感器的布置和形成，可能有不同的变体，例如作为布置在非流线形体下游的扁板的单独构造或者非流线形体中的整体构造。此外，可能有不同形式的非流线形体和脱落边缘的不同扩展。此外，在确定介质在测量横截面的区域中的密度的背景下，也能够考虑其他影响，例如摩擦力影响。如本领域人员已知的，尤其还涉及动量转换的方程（2）能够因此被包括。
在每种情况下，以上所解释的实施例的实例关注在气相和液相之间的相变。作为替换，本发明的方法能够相应地应用于气相和固相之间的相变。在后一情况下，代替以液相的材料的压力和温度依赖性密度和压力和温度依赖性比焓，使用以固相的材料的压力和温度依赖性密度和压力和温度依赖性比焓。
此外，对于其中不能在相关位置（例如，在测量横截面的区域中；在连接管的区域中，等等）局部确定静态压力p的情况，能够根据以下方程（22）计算静态压力p：
在该情况下，pt为总压力，M为介质的马赫数。通过以下方程（23）表达该马赫数M，其中u为介质的流速，a为声速。通过方程（24）确定γ，其中cv为在恒定体积的情况下的介质的比热容，并且cp为在恒定压力下的比热容。

Claims (11)

1.用于确定流经涡流测量装置(2；26)的测量管(4；28)的至少有时至少二相的介质的质量流量的方法，
其中所述测量管(4；28)在测量横截面(36)中具有至少一个用于产生涡旋的非流线形体(8；30)，
并且其中，在所述测量横截面(36)的区域中，所述涡流测量装置包括：温度传感器(48)和压力传感器(50)，所述温度传感器(48)用于记录所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态温度，所述压力传感器(50)用于记录所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态压力，以及为了记录所产生的涡旋，所述涡流测量装置包括布置在所述非流线形体(8)下游的至少一个涡旋传感器，所述方法包括：
记录所产生的涡旋，用以确定所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的流速；
记录所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态压力和静态温度；
根据下述的项确定所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的密度：所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的总比焓，所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的流速，所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态压力和所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态温度；以及
根据所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的所确定的流速、所确定的密度和流量横截面，确定质量流量，
其中，所述介质包括至少一种材料，至少在一部分可能过程条件的情况下，所述材料在所述测量横截面(36)的区域中按第一质量份额以第一相存在，并且按该材料的其余的第二质量份额以第二相存在，其特征在于，下列的至少一个：
所述第一相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的比焓；
所述第二相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的比焓；
所述第一相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的密度；
以及所述第二相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的密度，
是根据所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态压力，以及根据所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态温度来确定的，并且被用于确定所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的所述密度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述涡流测量装置(2；26)中执行确定流速、密度和质量流量的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据被移除了所述介质的系统的压力和温度确定所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的所述总比焓，其中所述介质在被移除前在该系统中处于静止。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据位于所述测量横截面(36)上游或下游的区段中介质的已知总比焓，考虑对该区段直至所述测量横截面(36)的所述介质的热传递，确定所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的总比焓。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一相是气相，并且所述第二相是液相。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过求解方程中所述材料的所述第一相的第一质量份额来确定所述材料的所述第一质量份额，其中通过下述各项的和来表达所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的总比焓：所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的动能；所述第一相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的比焓乘以所述材料的所述第一质量份额；所述第二相的所述材 料在所述测量横截面(36)的区域中的比焓乘以所述材料的所述第二质量份额；以及在给定情况下，还有所述介质中包含的以其各自相存在的另外材料在所述测量横截面(36)的区域中的比焓乘以它们各自的质量份额。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据下列的项确定所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的密度：所述第一相的所述材料的所述第一质量份额及其在所述测量横截面(36)的区域中的密度；所述第二相的所述材料的所述第二质量份额及其在所述测量横截面(36)的区域中的密度；以及在给定情况下，还有所述介质中所含的以其各自相存在的另外材料的质量份额以及它们在所述测量横截面(36)的区域中的各自密度。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态压力，以及根据所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态温度来确定在所述测量横截面(36)的区域中存在的下列变量的至少一个：
·所述介质中所含的以其各自相存在的另外材料在所述测量横截面(36)的区域中的比焓；和
·所述介质中所含的以其各自相存在的另外材料在所述测量横截面(36)的区域中的密度。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，电子存储所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的密度对下列的项的先前确定的依赖性：所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的总比焓、所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的流速、所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态压力和所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，以多维表的形式 存储所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的密度对下列项的依赖性：所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的总比焓、所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的流速、所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态压力和所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态温度。
11.涡流测量装置，用于确定在使用时流经测量管(4；28)的至少有时至少二相的介质的质量流量，所述涡流测量装置(2；26)包括：
至少一个非流线形体(8；30)，所述非流线形体(8；30)被布置在所述测量管(2；26)内部以用于产生涡旋；
至少一个涡旋传感器(14；22)，用于记录所产生的涡旋；
压力传感器(50)，用于确定所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态压力；
温度传感器(48)，用于确定所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态温度；
和电子器件(52)，用于确定所述介质在测量横截面(36)的区域中的流速，
其中，所述压力传感器和所述温度传感器的每个被布置在所述测量横截面(36)的区域中，
其特征在于，所述涡流测量装置(2；26)的所述电子器件(52)被实施以使得所述电子器件(52)能够根据下列的项确定所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的密度：所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的总比焓、所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的流速、所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态压力和所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的静态温度，以及根据所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的所确定的流速、所确定的密度和流量横截面，所述电子器件(52)能够确定所述介质的所述质量流量；以及
所述涡流测量装置(2；26)的所述电子器件(52)被实施以使得所述电子器件(52)能够实现下列的至少一个：
根据所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态压力，以及所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态温度两者，来确定第一相的材料在所述测量横截面(36)的区域中的比焓，并且将所述第一相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的比焓用于所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的密度的确定；
根据所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态压力，以及所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态温度两者，来确定第二相的材料在所述测量横截面(36)的区域中的比焓，并且将所述第二相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的比焓用于所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的密度的确定；
根据所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态压力，以及所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态温度两者，来确定所述第一相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的密度，并且将所述第一相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的密度用于所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的密度的确定；
以及根据所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态压力，以及所述介质在所述测量横截面(36)的区域中存在的所述静态温度两者，来确定所述第二相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的密度，并且将所述第二相的所述材料在所述测量横截面(36)的区域中的密度用于所述介质在所述测量横截面(36)的区域中的密度的确定。
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