CN104541135A - 具有改进的量表零位的科里奥利流量计和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种科里奥利流量计（205）。科里奥利流量计（205）包括：流量计组件（206），其包括一个或多个流管（210）；驱动器（220），其联接到流量计组件（206）并且配置成使流量计组件（206）振动；两个或更多个拾取传感器(230, 231)，其联接到流量计组件（206）并且配置成从流量计组件（206）生成两个或更多个振动信号；以及，量表电子器件（20），其联接到驱动器（220）和两个或更多个拾取传感器(230,231)，其中量表电子器件（20）配置成向驱动器（220）提供驱动信号并且从两个或更多个拾取传感器(230, 231)接收所生成的两个或更多个振动信号；其中两个或更多个拾取传感器(230,231)固结于使科里奥利流量计（205）的科里奥利振动模式最大化的两个或更多个相对应的拾取传感器位置。

Description

具有改进的量表零位的科里奥利流量计和方法
技术领域
本发明涉及科里奥利流量计的量表零位项，并且更特定而言，涉及改进的量表零位项。
背景技术
振动管道传感器，诸如科里奥利质量流量计和振动密度计/比重计（densitometer）通常通过检测容纳流动材料的振动管道的运动而操作。与管道中材料相关联的性质，诸如质量流量、密度和类似参数，可通过处理从与管道相关联的运动换能器所接收到的测量信号来确定。填充有振动材料的系统的振动模式通常受到容纳管道和其中所容纳的材料的组合质量、刚度和阻尼特征的影响。
典型科里奥利质量流量计包括一个或多个管道，管道在管线或其它运输系统中串列(inline)连接且在该系统中输送材料，例如流体、浆料、乳剂和类似物。每个管道可被视作具有一组自然振动模式，包括（例如）简单弯曲、扭转、径向、横向和耦合模式。
在典型科里奥利质量流量测量应用中，当材料通过管道流动时，以一个或多个振动模式激励管道，且在沿着管道间隔开的点处测量管道的运动。激励通常由促动器提供，例如机电装置，诸如音圈型驱动器，其以周期性的方式扰动管道。两个换能器（或拾取传感器）通常用于测量一个或多个流管道的振动响应，且通常位于促动器上游和下游的位置处。质量流率可通过测量在间隔开的换能器位置处的运动之间的时间延迟或相位差来确定，其中时间延迟或相位差由流动材料中的科里奥利力造成。由于管振动造成的移动流体中的方向变化生成了科里奥利力。这些科里奥利力被施加到传感器管上并且在振动运动中产生扰动。这些扰动将造成流管的一端超前并且另一端滞后，造成在超前与滞后振动传感器信号中的相位延迟。
拾取传感器连接到量表电子器件（或其它仪表），量表电子器件从拾取传感器接收信号并且处理信号以便得出质量流率测量等。为了生成质量流率测量，量表电子器件使用振动的驱动频率将所测量的相位延迟转变为时间延迟。通过流管的质量流率与这个时间延迟（                                                ）成正比，如下式所给出：
质量流率=（1）
(FCF)项是流量校准因子，其考虑各种量表特征诸如量表刚度、周围温度/环境温度和量表构造和几何形状。然而，在非流动条件下的实际操作中，时间延迟()可包括非零值并且必须在方程式中被补偿以准确地测量流率。 因此，质量流率可以被更好地表示为：
质量流率=(2)
()项是处于非流动条件的时间延迟校正值，也被称作量表零位项。量表零位项()可能由于在驱动器与一个或多个拾取传感器之间的位置、质量和/或阻尼不对称性而生成非流动振动相移。也可能由于拾取传感器与一个或多个流管的驱动模式的模态相互作用而存在量表零位项()。可能由于拾取传感器和驱动器设计而存在量表零位项()。可能由于环境温度和温度变化而存在量表零位项()。
在本领域中熟知的是量表零位项()和量表零位项()的稳定性在很大程度上受到以下因素影响：流管和/或总体上流量表组件的几何不对称性，振动模式之间的耦合，阻尼，和量表安装特征和其它环境条件。
这些因素不仅有助于促成量表零位项()量值，而且也造成量表零位项()随着时间的不稳定性。这继而影响到流量计的准确度，特别是在较高量程（turn down）时。量表量程包括略高于零流量的低流率带，其中测量信号不能与噪音区分，即，流量太低而不能被准确地测量。
由于这些原因，希望保持量表零项()尽可能小。较大量表零位项()在振动流量计中可能造成问题。较大量值的量表零位项()可能与较小量值的量表零位项()相比更不稳定。较大量值的量表零位项()可能需要更频繁的重新调零操作。
重新调零操作将需要使振动流量计停止操作。重新调零操作可能需要技术员手动并且耗时的诊断/调整。例如，当温度变化超过20摄氏度时，流量计的使用者通常需要将流量计重新调零。
尽管在工厂校准过程中补偿了量表零位项（）的温度效果，量表零位项（）通常不可调整。量表零位项()的稳定性不能被调整或补偿。
发明内容
在本发明的一方面，一种科里奥利流量计包括：
流量计组件，其包括一个或多个流管；
驱动器，其耦合/联接到流量计组件并且被配置成使流量计组件振动；
两个或更多个拾取传感器，其耦合/联接到流量计组件并且被配置成从流量计组件生成两个或更多个振动信号；以及
量表电子器件，其耦合/联接到驱动器和两个或更多个拾取传感器，其中量表电子器件被配置成向驱动器提供驱动信号并且从两个或更多个拾取传感器接收所生成的两个或更多个振动信号；
其中两个或更多个拾取传感器固结于使科里奥利流量计的科里奥利振动模式最大化的两个或更多个相对应的拾取传感器位置处。
优选地，两个或更多个拾取传感器位置增加了非流动条件下的量表零位稳定性。
优选地，两个或更多个拾取传感器位置受到科里奥利流量计的安装条件的最小影响。
优选地，确定两个或更多个拾取传感器位置包括根据模态分析确定生成基本上最大科里奥利振动模式响应的两个或更多个拾取传感器位置。
优选地，模态分析包括：确定每种振动模式的节点位置；以及确定由每种振动模式对科里奥利振动模式的振动贡献。
优选地，科里奥利流量计包括低流量科里奥利流量计。
在本发明的一方面，一种形成科里奥利流量计的方法包括：
对科里奥利流量计的流量计组件执行模态分析；
确定使科里奥利流量计在两个或更多个振动信号情况下的科里奥利振动模式最大的两个或更多个拾取传感器位置；以及
将两个或更多个相对应的拾取传感器固结于两个或更多个拾取传感器位置处。
优选地，两个或更多个拾取传感器位置增加了非流动条件下的量表零位稳定性。
优选地，两个或更多个拾取传感器位置受到科里奥利流量计的安装条件的最小影响。
优选地，确定两个或更多个拾取传感器位置包括根据模态分析确定生成基本上最大科里奥利振动模式响应的两个或更多个拾取传感器位置。
优选地，模态分析包括：确定每种振动模式的节点位置；以及确定由每种振动模式对所述科里奥利振动模式的振动贡献。
优选地，科里奥利流量计包括低流量科里奥利流量计。
附图说明
在所有附图上，相同附图标记表示相同元件。附图未必按照比例绘制。
图1示出了根据本发明的单弯管科里奥利流量计。
图2示出了根据本发明的一实施例的驱动器和两个或更多个拾取传感器的相对定位。
图3至图6示出了在科里奥利流量计中的各种流管振动或正常模式的示例。
图7为根据本发明的实施例形成科里奥利流量计的方法的流程图。
图8为具有基本上矩形管形状的单管科里奥利流量计的表示，其中一系列可能的拾取器位置被示出在图的左侧上。
图9为相对于图8的拾取器位置，归一化贡献的曲线图。
具体实施方式
图1至图9和下文的描述描绘了用以教导本领域技术人员如何做出和使用本发明最佳模式的具体示例。出于教导本发明的原理的目的，已简化或省略了某些常规方面。本领域技术人员将意识到属于本发明范围内的这些示例的变化。本领域技术人员将意识到下文所述的特征可以用各种方式组合以形成本发明的多种变型。因此，本发明并不限于下文所描述的具体示例，而是本发明仅受权利要求和它们的等效物限制。
图1示出了根据本发明的科里奥利流量计205。根据本发明的实施例中的任何实施例的科里奥利流量计205具有改进的量表零位项。根据本发明的实施例中任一实施例的科里奥利流量计205具有改进的量表零位项，其中量表零位具有改进的稳定性。
在图示实施例中的科里奥利流量计205可能包括一种包含有单个弯曲流管210、平衡结构208、和量表电子器件20的流量计组件206。量表电子器件20经由引线110、111和111'联接到流量计组件206以测量流动物质的特征，诸如，密度、质量流率、体积流率、总质量流量、温度，和其它信息。量表电子器件20可以将信息通过通信路径26传送到使用者或其它处理器。通信路径26提供输入和输出器件，输入和输出器件允许量表电子器件20与操作者或者与其它电子系统形成接口连接。图1的描述仅仅作为科里奥利流量计的操作的示例而提供并且并不预期限制本发明的教导内容。
对于本领域技术人员应显然的是科里奥利流量计205可以包括任何形式的振动流量计，与驱动器、拾取传感器、流管道的数量或振动的操作模式无关。应了解科里奥利流量计205可以具有任何几何形状，包括直流管、略微弯曲流管、U形流管、三角形流管、或任何其它形状的流管路径。在某些实施例中，科里奥利流量计205可以作为科里奥利质量流量计操作。此外，应认识到科里奥利流量计205可以替代地作为振动密度计操作。
流量计组件206包括流管210，流管210限定用于接纳流动物质的流动路径。流管210可以弯曲，如图所示，或者可以具有任何其它形状，诸如直配置或不规则配置。可以使用额外流量计形状和/或配置并且其在说明书和权利要求的范围内。
当流量计组件206插入于载运流动物质的管线系统内时，物质通过入口凸缘（未图示）进入到流量计组件206，然后其流动通过流管210，在流管210中测量流动物质的特征。之后，流动物质离开流管210并且通过出口凸缘（未图示）。
本领域普通技术人员将意识到流管210能经由合适装置和/或结构连接到凸缘。在图示实施例中，流管210设有端部211和212，端部211和212大体上从连接器270和271延伸并且在它们的外末端处连接到凸缘。
流动流体可以包括液体。流动流体可以包括气体。流动流体可以包括多相流体，诸如一种包括所夹带气体和/或所夹带固体的液体。
本示例的流量计组件206包括至少一个驱动器220。驱动器220可以包括许多熟知的布置之一，包括，例如但不限于，压电元件、电容元件或电磁线圈/磁体布置。在图示实施例中，驱动器220包括了与平衡结构208的从动构件250连接的第一部分和连接到流管210的第二部分。例如，第一部分和第二部分可以对应于驱动线圈和驱动磁体。在本实施例中，驱动器220优选地使从动构件250和流管210反相地移动。在双流管实施例中，驱动器220可以使两个流管相反地振动。
从动构件250和流管210优选地绕弯曲轴线W被驱动，弯曲轴线W可以部分地由连接器270和271限定。
根据本发明的一实施例，弯曲轴线W对应于入口-出口管轴线。从动构件250从基部260弯曲。本领域技术人员将认识到量表能以其它模式驱动，或甚至同时以多个模式驱动。拾取传感器位置优化能应用于任何其它模式，但在此处图示为呈弯曲模式。
如图所示，流量计组件206包括至少一个拾取器。图示实施例设有一对拾取器230和231。根据本实施例的一方面，拾取器230和231测量流管210的运动。在本实施例中，拾取器230和231包括位于相应拾取器臂280和281上的第一部分和位于流管210上的第二部分。（多个）拾取器可以包括许多熟知布置中的一种，包括，例如但不限于，压电元件、电容元件或电磁线圈/磁体布置。因此，类似于驱动器220，拾取器的第一部分可包括拾取线圈，而拾取器的第二部分可以包括拾取磁体。本领域普通技术人员将意识到流管210的运动与流动物质的特定特征（例如，通过流管210的流动物质的质量流率或密度）有关。
本领域普通技术人员将意识到量表电子器件20从拾取器230和231接收拾取信号并且向驱动器220提供驱动信号。量表电子器件20能处理拾取信号以便测量流动物质的特征，诸如，密度、质量流率、体积流率、总质量流量、温度和其它信息。量表电子器件20处理振动响应并且通常确定信号的响应频率和/或信号之间的相位差。量表电子器件20也可以从例如一个或多个温度传感器（未图示）和一个或多个压力传感器（未图示）接收一个或多个其它信号，并且使用这条信息来测量流动物质的特征。设想到其它振动响应特征和/或流动测量，并且这些是在说明书和权利要求的范围内。本领域普通技术人员将意识到传感器的数量和类型将取决于特定测量特征。
流量计组件206还可以包括壳300和壳连接件590和591。壳连接件590和591可以包括连接到流管210的第一部分595和连接到壳300的第二部分596。如图所示，壳连接件590和591优选地是支承着位于凸缘与连接器270和271之间的管道的唯一结构。
科里奥利流量计可以包括单个或多个流管。科里奥利流量计可以包括直或弯曲的（多个）流管。科里奥利流量计可以包括任何形状的（多个）流管并且可以包括任何一种或多种形状的任何相关联的结构。科里奥利流量计可以被设计用于任何流动材料，包括液体、气体、或液体、气体和/或固体的混合物。科里奥利流量计可以被设计用于高流率或低流率或者用于具有任何密度的流动材料。
在操作中，驱动器220包括在流管210中的振动并且两个或更多个拾取传感器230和231生成相对应的振动信号。振动信号可以表征在两个或更多个拾取传感器230和231处所测量的多个叠加振动。这些振动模式中的一种或多种模式将对科里奥利振动模式做出贡献。
在现有技术双管科里奥利流量计中，已通过将拾取传感器定位于限定振动的第二弯曲模式的节点处来尝试最佳拾取传感器位置。这种示例在授予Cage等人的美国专利No. 5,301,557中给出。将双管科里奥利流量计的拾取传感器定位于限定第二弯曲模式节点的节点处进行操作以使科里奥利模式振动（即，超前和滞后方面）消除科里奥利模式振动与第二弯曲模式的可能叠加。对于单管科里奥利流量计而言，科里奥利振动模式与其它振动模式耦合也是不利的。
图2示出了根据本发明的一实施例的驱动器220和两个或更多个拾取传感器230和231的相对定位。从附图可以看出两个或更多个拾取传感器230和231位于弯曲轴线W与驱动器220之间。在某些实施例中，两个或更多个拾取传感器230和321可以离驱动器220基本上等距。然而，应了解根据本说明书和权利要求确定的拾取传感器位置并不限于拾取传感器的对称或规则放置。
弯曲轴线W可以定位成形成可振动跨距，当由驱动器220所形成的振动力而扰动时，可振动跨距将周期性挠曲。可以由（多个）支撑条、（多个）平衡梁、壳体或其它结构形成弯曲轴线W。
可以用任何方式测量两个或更多个拾取传感器230和231离驱动器220（和/或离弯曲轴线W）的距离。该距离可以包括是一个或多个竖直高度，诸如在两个或更多个拾取传感器230和231与弯曲轴线W之间的高度H1，和在附图中在两个或更多个拾取传感器230和231与驱动器220之间的高度H2。该距离可以包括实际流管跨距，诸如在图中的跨距S1和S2。该距离可以包括角移位测量（未图示）。该距离还可以表征为介于弯曲轴线W与两个或更多个拾取传感器230和231之间的距离相对于介于两个或更多个拾取传感器230和231与驱动器220之间距离的比例或百分比。应了解到设想了在两个或更多个拾取传感器230和231、驱动器220和弯曲轴线W之间的其它距离定量并且其是在说明书和权利要求的范围内。
最佳拾取传感器位置可以根据各种因素而变化。最佳拾取传感器位置可能受到以下因素影响：流管材料、流管壁厚、流管直径、流管截面形状、总流管形状（以某种方式为直的或弯曲的）、可振动部分的有效长度、拾取器质量、和相关联结构的存在/类型（即，支撑条、平衡结构、凸缘、壳体等）。最佳拾取传感器位置也可以根据拾取传感器设计参数例如拾取传感器的质量或惯性而不同。
图3至图6示出了在科里奥利流量计中的各种流管振动或正常模式的示例。振动模式取决于传感器几何形状、流管形状和材料，和相关联结构的存在。图3至图6的振动模式将在每个传感器几何形状中具有类似情况。应了解图3至图6所示的各种振动模式未必按照比例绘制并且出于说明目的，可能夸大。还应了解为了清楚起见，示例被简化，并且在实际操作中，流管的振动运动可以包括多个振动模式的叠加。
图3示出了以第一弯曲模式振动的流管的示例。在第一弯曲模式，流管的顶部在z方向上移位，其中高于弯曲轴线W的流管的部分将随后挠曲并且在-z和+z方向上振动。处于第一弯曲模式的两个节点N1和N2在弯曲轴线W上。
图4示出了以第一扭曲模式振动的流管的示例。在第一扭曲模式，顶部的两端在-z方向和+z方向上相反地移位。因此第一扭曲模式具有三个节点，即在弯曲轴线W上的两个节点N1和N2和在顶部中心附近的节点N3。
图5示出了以第二弯曲模式振动的流管的示例。在第二弯曲模式，流管的顶部在z方向上移位，但流管的竖直腿也挠曲并且竖直腿的中心部分与顶部相反地移动。因此第二弯曲模式具有四个节点，即在弯曲轴线W上的两个节点N1和N2和位于弯曲轴线W与流管顶部之间的两个上节点N3和N4。
图6示出了以第二扭曲模式振动的流管的示例。在第二扭曲模式，顶部的两端在共同z方向上移位，而顶部的中央部分与竖直腿和顶部两端相反地移位。因此第二扭曲模式具有四个节点，在弯曲轴线W上的两个节点N1和N2和在顶部上并且位于顶部的两端之间的两个上节点N3和N4。
图7为根据本发明的实施例形成科里奥利流量计的方法的流程图700。在步骤701中，构建了流量计组件206的有限元（FE）模型。FE模型可以表征流量计组件206，包括表征例如流管数量、流管形状/几何形状、和/或流管构造。有限元模型被制备用于复杂模式或者利用通过量表模型的代表性流量的强制响应分析。
在步骤702，对于科里奥利流量计执行模态分析。在模态分析中，执行模域复模式（complex mode）或模域频率强制响应方案。充分的正常模式应包括于复模式方案中以确保复模式的准确结果。
在步骤703中，模态分析计算了对于科里奥利流量计的总振动响应而言的科里奥利模式振动贡献。另外，模态分析可以被配置成用以计算对于一个或多个流管上多个可能拾取传感器位置而言的科里奥利模式振动贡献。例如，可以选择一个或多个流管上的拾取传感器位置的范围来用于进行后处理。对于贡献模式中的每种模式计算了在选定拾取器位置之间的时间延迟。
在步骤704，对于所分析的拾取传感器位置的范围，从科里奥利模式贡献确定了最佳拾取传感器位置。这可以包括例如相对于拾取器位置绘制归一化时间延迟。通过除以总时间延迟来使时间延迟归一化。通过选择对于总时间延迟的主要贡献者是来自所希望的科里奥利模式的位置来选取最佳拾取器位置。
然而，应了解可以采用其它方法来用于从所分析的可能的拾取传感器位置的范围找到最佳拾取传感器位置。另外，分析可能插入位于在所分析的拾取传感器位置的集合中的所选定拾取传感器位置之间的最佳拾取传感器位置。
图8为具有基本上矩形管形状的单管科里奥利流量计的表示，其中一系列可能的拾取器位置1-12被示出在图的左侧上。可以选择系列可能的拾取器位置1-12以便确定最佳拾取器位置。通常，在管的右腿上的相对应的拾取器位置将用于比较对称的PO位置。应了解附图未按照比例绘制并且测试位置可能与图示不同地间隔开。系列的可能拾取器位置1-12可以包括均匀间距或不规则间距。
图9为相对于图8的拾取器位置1-12，来自科里奥利振动模式的归一化贡献的曲线图。从曲线图可以看出在位置4，科里奥利振动模式贡献百分之百的测量时间延迟（）。这是所希望的目的，用以实现仅从科里奥利振动模式得出并且不包括与科里奥利振动模式相耦合的其它振动模式的时间延迟测量。
可以看出，随着拾取传感器位置从位置1向位置12移动，即，远离驱动器朝向基部，科里奥利振动模式对于总时间延迟的贡献减小。可以看出位置4是对于这种科里奥利流量计（或者科里奥利流量计模型）而言的理想拾取器位置，因为整个时间延迟仅由科里奥利振动模式造成，即由科里奥利振动模式做出全部贡献。
该方法有利地减小了量表零位项()的量值。该方法有利地增加了量表零位项()的稳定性。该方法通过使流管（或多个流管）上的拾取器位置与拾取器位置对于科里奥利模式测量强度的贡献相关而实现了这个目的。这种相关性和随后拾取传感器在生成最大科里奥利模式测量的位置处的定位将得到最佳（和最大）时间延迟（）测量和最大可能的信噪比（S/N）。因此，将改进质量流量测量的准确度和可靠性。
上述实施例的详细描述并非本发明者构想到在本发明范围内的所有实施例的详尽描述。实际上，本领域技术人员认识到上述实施例的某些元件可不同地组合或者排除以形成另外的实施例，并且这些另外的实施例属于本发明的范围和教导内容内。对于本领域技术人员显然上述实施例可全部或部分地组合以形成在本发明的范围和教导内容内的额外实施例。因此，本发明的范围应由权利要求确定。

Claims (12)

1.一种科里奥利流量计（205），其包括：
流量计组件（206），其包括一个或多个流管（210）；
驱动器（220），其联接到所述流量计组件（206）并且配置成使所述流量计组件（206）振动；
两个或更多个拾取传感器(230, 231)，其联接到所述流量计组件（206）并且配置成从所述流量计组件（206）生成两个或更多个振动信号；以及，
量表电子器件（20），其联接到所述驱动器（220）和两个或更多个拾取传感器(230, 231)，其中所述量表电子器件（20）配置成向所述驱动器（220）提供驱动信号并且从所述两个或更多个拾取传感器(230, 231)接收所生成的两个或更多个振动信号；
其中所述两个或更多个拾取传感器(230, 231)固结于使所述科里奥利流量计（205）的科里奥利振动模式最大化的两个或更多个相对应的拾取传感器位置处。
2. 根据权利要求1所述的科里奥利流量计（205），其特征在于，所述两个或更多个拾取传感器位置增加了非流动条件下的量表零位稳定性。
3.根据权利要求1所述的科里奥利流量计（205），其特征在于，所述两个或更多个拾取传感器位置受到所述科里奥利流量计（205）的安装条件的最小影响。
4.根据权利要求1所述的科里奥利流量计（205），其特征在于，确定所述两个或更多个拾取传感器位置包括根据模态分析确定生成基本上最大科里奥利振动模式响应的所述两个或更多个拾取传感器位置。
5.根据权利要求1所述的科里奥利流量计（205），其特征在于，所述模态分析包括：
确定每种振动模式的节点位置；以及
确定每种振动模式对所述科里奥利振动模式的振动贡献。
6.根据权利要求1所述的科里奥利流量计（205），其特征在于，所述科里奥利流量计（205）包括低流量科里奥利流量计（205）。
7.一种形成科里奥利流量计（205）的方法，所述方法包括：
对所述科里奥利流量计（205）的流量计组件（206）执行模态分析；
确定使所述科里奥利流量计（205）在两个或更多个振动信号的情况下的科里奥利振动模式最大化的两个或更多个拾取传感器位置；以及
将两个或更多个相对应的拾取传感器(230, 231)固结于所述两个或更多个拾取传感器位置处。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个拾取传感器位置增加了非流动条件下的量表零位稳定性。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个拾取传感器位置受到所述科里奥利流量计（205）的安装条件的最小影响。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，确定所述两个或更多个拾取传感器位置包括根据模态分析确定生成基本上最大科里奥利振动模式响应的所述两个或更多个拾取传感器位置。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述模态分析包括：
确定每种振动模式的节点位置；以及
确定由每种振动模式对所述科里奥利振动模式的振动贡献。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述科里奥利流量计（205）包括低流量科里奥利流量计（205）。
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