CN108027309A - 用于确定流动流体的可压缩性的方法和测量装置 - Google Patents

用于确定流动流体的可压缩性的方法和测量装置 Download PDF

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Abstract

一种用于确定流动流体的可压缩性的方法(1)包括如下步骤：在利用节流阀保持的第一压力下，通过振动密度计的至少一个测量管，利用泵驱动流体的体积流量；确定在第一压力下的流动流体的第一密度测量值(10)；确定在第一压力下的流动流体的第一压力测量值(10)；在利用节流阀保持的第二压力下，通过密度计，利用泵驱动流动流体的体积流量；确定在与第一压力不同的第二压力下的流体的第二密度测量值(20)；确定在第二压力下的流动流体的第二压力测量值(20)；在第一密度测量值和所述第二密度测量值的检测之间流体的组分不变，基于第一密度测量值、第二密度测量值、第一压力测量值和第二压力测量值，确定流体的可压缩性(30)。

Description

用于确定流动流体的可压缩性的方法和测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定流动流体的可压缩性的方法。
背景技术
在参考条件下，特别是在1013MPa的参考压力下，流体的密度对评估流体是有意义的。然而，在许多情况下，其并不直接可用。一种解决方案是由在较高压力下记录的密度测量值来计算参考压力下的密度。为了能够可靠地执行该计算，需要可压缩性的尽可能精确的知识。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法和测量设备，其能够尽可能简单并且可靠地确定流体的可压缩性，特别是用于确定在参考压力下的介质的密度。
通过独立权利要求1的方法和独立权利要求9的装置来实现本发明的目的。
该用于确定流动流体的可压缩性的本发明的方法包括如下步骤：
在利用节流阀保持的第一压力下，通过振动密度计的至少一个测量管，利用泵驱动所述流体的体积流量；
确定在所述第一压力下的所述流动流体的第一密度测量值；
确定在所述第一压力下的所述流动流体的第一压力测量值；
在利用节流阀保持的第二压力下，通过密度计，利用泵驱动所述流动流体的体积流量；
确定在与所述第一压力不同的所述第二压力下的所述流体的第二密度测量值；
确定在所述第二压力下的所述流动流体的第二压力测量值；
在所述第一密度测量值的记录和所述第二密度测量值的记录之间所述流体的组分不变的假设下，基于所述第一密度测量值、所述第二密度测量值、所述第一压力测量值和所述第二压力测量值，确定所述流体的可压缩性。
在本发明的进一步改进方案中，该方法进一步包括：基于所确定的可压缩性并且基于所述第一密度测量值和所述第二密度测量值中的至少一个，计算在第三压力下的第三密度值，其中，所述第三压力不同于所述第一压力和所述第二压力，其中，所述第三压力尤其位于由所述第一压力和所述第二压力所界定的区间之外。
在本发明的进一步改进方案中，该方法进一步包括：基于所述可压缩性和至少一个上述密度测量值来计算声速值。
在本发明的进一步改进方案中，在所述第一压力测量值和所述第二压力测量值处的所述流体的恒定温度的假设下，发生所述压缩性的确定。
在本发明的进一步改进方案中，在记录所述第一密度测量值时所述测量管中的流体的第一温度与在记录所述第二密度测量值时所述测量管中的流体的第二温度密度相差不超过5℃，尤其不超过2℃，优选不超过1℃。
在本发明的进一步改进方案中，在每种情况下，确定所述第一密度测量值和确定所述第二密度测量值包括：记录所述测量管的至少一个弯曲振动模式的本征频率值。
在本发明的进一步改进方案中，所述至少一个弯曲振动模式的本征频率依赖于所述测量管的弯曲刚度，所述弯曲刚度对所述测量管中的流体的压力具有交叉灵敏度，其中，基于记录的本征频率，所述测量管的压力相关的弯曲刚度参与所述密度测量值的确定，其中，记录的压力测量值中的至少一个被用于确定所述压力相关的弯曲刚度。
用于确定流动流体的可压缩性和/或依赖于所述可压缩性的变量的本发明的测量装置包括：用于传送介质的流体路径；设置在所述流体路径中的泵，所述泵用于驱动所述流体路径中的介质的体积流量；密度计，所述密度计包括具有用于传送所述介质的至少一个可振动测量管的至少一个振荡器、用于激励所述测量管的振动的至少一个励磁机构和用于记录所述振荡器的至少一个振荡特性的至少一个传感器装置，其中，所述至少一个振荡器的测量管被设置在所述流体路径中；具有可变流阻的节流装置，其中，所述密度计在所述流体路径中被设置在所述泵和所述节流装置之间，其中，所述节流装置适于在恒定体积流量的情况下，因不同的流阻产生所述密度计中不同的静态压力值；至少一个压力传感器，所述压力传感器用于记录所述流体路径的压力测量值，其中，所述压力传感器在所述流体路径中被设置在所述泵与所述节流装置之间；操作和评估单元，所述操作和评估单元用于基于在所述节流装置的不同流阻下所记录的至少两个密度测量值和相关联的压力测量值，确定所述流体的可压缩性的值。
在本发明的进一步改进方案中，所述节流装置具有两个并联连接的止回阀，其中，较之比第二止回阀，第一止回阀具有更低的工作点，以及止回阀-闸阀，其尤其是可自动控制的，被置于所述第一止回阀的上游。
在本发明的替选的进一步改进方案中，所述节流装置包括具有可调隔膜开口的隔膜。
在本发明的进一步改进方案中，所述测量装置进一步包括第二压力传感器，其中，所述密度计被设置在所述第一压力传感器和所述第二压力传感器之间。
在本发明的进一步改进方案中，所述操作和评估单元适于确定流体压力测量值，所述流体压力测量值与密度测量值相关联并且是所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的基本上同时采集的压力测量值的平均值。
在本发明的进一步改进方案中，所述操作和评估单元适于基于体积流量以及所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的基本上同时采集的压力测量值之间的差，确定所述流体的粘度测量值，并且基于所述振荡器的振动特性和所述粘度测量值，确定所述密度测量值。
在本发明的进一步改进方案中，所述操作和评估单元适于基于所述密度测量值、相关联的压力测量值和所确定的可压缩性的值，确定在参考条件下的密度值，参考条件例如是1013mbar。
附图说明
现在，将基于附图中所示实施例更详细地说明本发明，其中：
图1是本发明的方法的实施例的示例的流程图；
图2a是本发明的测量装置的实施例的第一示例的示意图；
图2b是本发明的测量装置的实施例的第一示例的细节变形的示意图；以及
图3是本发明的测量装置的实施例的第二示例的示意图。
具体实施方式
本发明的方法1的实施例的图1所示的示例包括：在第一步骤10中，记录流动流体的第一密度测量值ρ1和相关联的第一压力测量值p1，其中，通过相对于具有可变流阻的节流装置的第一流阻R1泵送流体，产生流动流体的第一压力。
在记录第一密度测量值ρ1和相关的第一压力测量值p1之后，在第二步骤20中，在节流装置的第二流阻R2的情况下，发生记录流动流体的第二密度测量值ρ2和相关的第二压力测量值p2，其中，第一流阻不同于第二流阻。在流体通过节流装置的基本恒定的体积流量的情况下，相应地导致流动介质的第一静压和第二静压的不同值。由此，例如，第一压力可以是约0.5至1巴(bar)，而第二压力达到5至10巴。
例如，可以通过测量流体流过的振荡测量管的密度相关的谐振频率来进行密度测量。
然后，在第三步骤30中，基于两个密度测量值ρ1,ρ2和相关联的压力测量值p1,p2，根据下述公式，计算流体的可压缩性β：
在确定流体的可压缩性之后，在步骤40a中，可以根据下述公式，基于密度值ρ和由此确定的可压缩性值β，计算流体的声速c：
在这种情况下，密度值可以是例如两个密度测量值ρ1,ρ2的算术平均值，基于该算术平均值来计算可压缩性β。
替选或补充地，在确定流体的可压缩性之后，在步骤40b中，可以在参考压力pref下计算参考密度ρref，参考压力pref例如是1013mbar。在这种情况下，参考密度依赖于参考压力pref、压力测量值pi及其相关的密度测量值ρi的至少一对值和由此确定的流体的可压缩性β的值。
图2a中所示的测量装置101的实施例的示例包括抽取管线102，其在第一连接点106和第二连接点108之间平行于管道104引导。测量装置101进一步包括在抽取管线102中的诸如可从HNP公司获得的微环形齿轮泵114，或具有高于1％，尤其高于0.5％的供给精度的一些其他剂量泵或计量泵，以用于通过由抽取管线102以及设置在其中的组件形成的流体路径116，驱动限定的体积流量。抽取管线具有例如4mm的内径。在抽取管线102中，在环形齿轮泵114之前设置过滤器元件115，该过滤器元件115具有例如不大于20μm，尤其是不大于10μm并且最好不大于5μm的最大孔径，以确保后续组件不会被堵塞。
在抽取管线102中设置具有可振动测量管122的密度计120，其可通过励磁器激励以执行弯曲振动，其谐振频率依赖于容纳在测量管122中的介质的密度。测量管具有例如160μm的直径并且通过MEMS技术用硅制备。在于例如具有例如106g/m3的密度的低粘度流体的情况，谐振频率例如数量级为20kHz。
具有200μm内径、通过测量管122和周围MEMS组件的流体路径段的总长度为例如1cm。该流体路径段具有相对较大的流阻，使得引导总体积流量经由该流体路径段通过抽取管线102是不实际的。在几巴压降的情况下，经由该流体路径段通过测量管122的预期体积流量将很小，尤其是在改变管道104中的介质的特性的情况下，这使得抽取管线102中的介质不具有可靠的代表性。因此，通过MEMS组件的流体路径段是与隔膜124平行的旁路126，其中，旁路126具有小于20mm、尤其是小于15mm例如10mm的旁路长度。隔膜124具有0.5至2mm的直径，设定其尺寸使得因抽取管线102中的体积流量产生压力梯度，该压力梯度驱动一部分体积流量——例如0.1％至5％——通过旁路126。MEMS组件进一步包括温度传感器127，例如半导体电阻元件或铂电阻元件，其尤其记录测量管122或测量管附近的温度，此温度代表介质的温度。
测量装置101进一步包括压力传感器130，用于记录被设置在环形齿轮泵114和节流装置160a之间的流体路径116上的压力测量点132处的压力测量值。更确切地说，这里的压力测量点在流动方向上设置在密度计之后。
然而，由于在隔膜124和测量管122两端发生基本上与体积流量成比例的压降，压力测量点132处的压力明显低于测量管122中的平均压力。由此，有利的是在泵和测量管之间提供额外的压力传感器并且根据测量管下方和上方的两个压力传感器的测量值来计算测量管中的流体的平均压力。尤其有利的是当对测量管中的流体的实际压力感兴趣时，例如使得由此开始计算基准压力下的密度。然而，为了确定可压缩性，并不明确要求第二压力传感器，因为在恒定体积流量的情况下，测量管两端的压降是恒定的，因此第二压力传感器无助于确定等式(1)中的压力差。
节流装置160a包括并联连接的两个止回阀，其中，较之第二止回阀164a，第一止回阀162a具有更低的工作点。第一止回阀162a的第一工作点处于例如0.5-1巴，而第二止回阀164a的第二工作点处于5-10巴。自动可控止回阀-闸阀166a被置于第一止回阀162a的上游。当打开止回阀-闸阀166a时，由环形齿轮泵114驱动的体积流量可以流过第一止回阀162a，从而由止回阀162a的工作点确定流动流体的静压。相反，当关闭止回阀-闸阀166a时，体积流量流过第二止回阀164a，使得静压由第二工作点确定，由此具有显著更高的值。由此，通过闸阀166a，在恒定体积流量的情况下，可以通过第一工作点和第二工作点交替确定静压。通过具有上述限制的压力传感器130，可以确定流体的静压所具有的值。
测量装置101进一步包括操作和评估单元140，该操作和评估单元140适于基于对不同静压测量值的值元组和相关联的密度以及在给定情况下还有流动流体的温度的测量值，来确定流体的可压缩性并且由此确定在参考条件下的流体的密度值，参考条件例如是1013mbar。类似地，操作和评估单元控制止回阀-闸阀166a以控制到第一止回阀162a的通路。
压差测量装置的电路、密度计120以及操作和评估单元优选地被实现为符合点火保护型Ex-i(本质安全)。环形齿轮泵114的电路优选同样被实现为满足点火保护型，例如，根据类别Ex-d的耐压封装。
图2b示出了节流装置160b，在根据图2a的实施例的示例中，其被用作图2a所示的节流装置160a的替选方案。节流装置160b包括具有可变流道截面的隔膜166b，其中，可利用通过操作和评估单元140控制的致动器调节流道截面。通过流道截面的变化，隔膜两端的压降可以在稳定的体积流量的情况下改变，例如在0.1和10巴之间改变。
本发明的测量装置201的实施例的图3中所示的示例包括实施例的第一示例的全部组件。对实施例的第一示例的组件的详细说明相应地适用于实施例的第二示例。此外，实施例的第二示例还包含其他组件，使得能够确定流体的粘度，并且由此在密度测量的情况下，校正粘度相关误差。在根据本发明确定可压缩性的同时，还可以对具有较高粘度的介质，给出在参考条件下的密度的更精确的值。
测量装置201包括抽取管线202，其在第一连接点206和第二连接点208之间平行于管道204引导。测量装置201进一步包括在抽取管线202中的微环形齿轮泵214，用于通过由抽取管线202及设置在其中的组件形成的流体路径216，驱动限定的体积流量。在抽取管线202中，在环形齿轮泵114之前设置过滤器元件215，以便确保后续组件不会被堵塞。
在抽取管线202中设置具有可振动测量管222的密度计220，其可通过励磁器激励以执行弯曲振动，其谐振频率依赖于容纳在测量管222中的介质的密度。通过测量管222和相邻的MEMS组件的流体路径段被引导作为与隔膜224平行的旁路226。隔膜224具有0.5至2mm的直径，设定其尺寸以使得因抽取管线202中的体积流量产生压力梯度，该压力梯度驱动一部分体积流量——例如0.1％至5％——通过旁路226。MEMS组件进一步包括温度传感器227，例如半导体电阻元件或铂电阻元件，其尤其记录测量管222或测量管附近的温度，此温度其代表介质的温度。
测量装置201还包括第一压力传感器230a和第二压力传感器230b，第一压力传感器230a用于记录设置在环形齿轮泵240和密度计220之间的流体路径216上的第一压力测量点232a处的压力测量值，第二压力传感器230b用于记录设置在密度计220和节流装置160a之间的流体路径116上的第二压力测量点232b处的压力测量值。
两个压力传感器230a和230b的目的有两个方面。首先，因为平均第一和第二压力传感器的压力测量值，克服了结合实施例的第一示例讨论的通过仅一个压力传感器的压力测量的缺点。
此外，通过形成第一压力传感器230a和第二压力传感器230b的压力测量值之间的差值，可以计算密度计220两端的压降，由此在给定体积流量的情况下，可以确定流体的粘度。
节流装置260包括并联连接的两个止回阀，其中，第一止回阀262的工作点低于第二止回阀264的工作点。第一止回阀262的第一工作点位于例如0.5-1巴，而第二止回阀264的第二工作点位于5-10巴。在第一止回阀262上游设置自动可控的止回阀-闸阀266。当打开止回阀-闸阀266时，由环形齿轮泵214驱动的体积流量可以经由第一止回阀流动，使得流动流体的静压由第一止回阀262的工作点确定。相反，当闸阀266关闭时，体积流量经由第二止回阀264流动，使得静压经由第二工作点确定，由此具有显著更高的值。因此，通过闸阀266，在恒定体积流量的情况下，静压可以由第一工作点和第二工作点交替地确定。通过平均第一压力传感器230a和第二压力传感器230b的压力测量值，可以确定测量管222中的流体的静态压力所具有的值。
测量装置201进一步包括操作和评估单元240，该操作和评估单元240适于基于体积流量的值和相关的压力差，确定流体的当前粘度测量值，并且基于测量管的测试谐振频率或从此得出的密度测量值，计算相对于粘度影响校正的密度测量值。此外，操作和评估单元240适合于基于测量管中的不同平均静压测量值的值元组以及相对于粘度的影响校正的相关密度测量值以及在给定情况下还有流动流体的温度的测量值，确定流体的可压缩性。基于这些值，在参考压力下计算流体的密度，参考压力例如是1013mbar。
如前所述，操作和评估单元控制止回阀-闸阀266以控制到第一止回阀262a的通路。
测量装置201可以进一步具有用于辅助介质的供给容器250和废物容器252。辅助介质一方面可以是清洁液体，例如汽油或具有确定的粘度或密度的参考介质，用于校准测量装置201。为了使辅助介质不能够不可控地进入管道204，在第一和第二连接点206、208附近，在抽取管线202中提供第一和第二闸阀210、212。供给容器250通过分支管线连接到第一闸阀210和过滤器215之间的抽取管线，其中止回阀254设置在分支管线中。废物容器252通过分支管线连接到第二压力传感器230b和节流装置260之间的抽取管线，其中闸阀256设置在该分支管线中。
参考字符列表
1 可压缩性确定
10 第一密度和压力测量
20 第二密度和压力测量
30 计算可压缩性
40a 计算声速
40b 计算参考密度
101 测量装置
102 抽取管线
104 管道
106 连接点
108 连接点
114 泵
115 过滤器元件
116 流体路径
120 密度计
122 测量管
124 隔膜
126 旁路
127 温度传感器
130 压力传感器
132 压力测量点
140 评估单元
160a 节流装置
162a 具有较低阈值的止回阀
164a 具有较高阈值的止回阀
166a 止回阀-闸阀
160b 节流装置
166b 具有连续可调流道截面的节流器
201 测量装置
202 抽取管线
204 管道
206 连接点
208 连接点
210 闸阀
214 泵
215 过滤器元件
216 流体路径
220 密度计
222 测量管
224 隔膜
226 旁路
227 温度传感器
230a 第一压力传感器
230b 第二压力传感器
232a 第一压力测量点
232b 第二压力测量点
240 评估单元
250 供给容器
252 废物容器
254 止回阀
256 闸阀
262 具有较低阀值的止回阀
264 具有较高阀值的止回阀
266 止回阀-闸阀

Claims (15)

1.确定流动流体的可压缩性的方法(1)，其中，所述方法包括如下步骤：
在利用节流阀保持的第一压力下，通过振动密度计的至少一个测量管，利用泵驱动所述流体的体积流量；
确定在所述第一压力下的所述流动流体的第一密度测量值(10)；
确定在所述第一压力下的所述流动流体的第一压力测量值(10)；
在利用节流阀保持的第二压力下，通过密度计，利用泵驱动所述流动流体的体积流量；
确定在与所述第一压力不同的所述第二压力下的所述流体的第二密度测量值(20)；
确定在所述第二压力下的所述流动流体的第二压力测量值(20)；
在所述第一密度测量值的记录和所述第二密度测量值的记录之间所述流体的组分不变的假设下，基于所述第一密度测量值、所述第二密度测量值、所述第一压力测量值和所述第二压力测量值，确定所述流体的可压缩性(30)。
2.如权利要求1所述的方法(1)，进一步包括：
基于所确定的可压缩性并且基于所述第一密度测量值和所述第二密度测量值中的至少一个，计算在第三压力下的第三密度值(40b)，其中，所述第三压力不同于所述第一压力和所述第二压力，其中，所述第三压力尤其位于由所述第一压力和所述第二压力界定的区间之外。
3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
基于所述可压缩性和至少一个上述密度测量值计算声速值(40a)。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述第一压力测量值和所述第二压力测量值处所述流体的恒定温度的假设下，发生所述压缩性的确定。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在记录所述第一密度测量值时所述测量管中的流体的第一温度与在记录所述第二密度测量值时所述测量管中的流体的第二温度相差不超过5℃，尤其不超过2℃，优选不超过1℃。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在每种情况下，确定所述第一密度测量值和确定所述第二密度测量值包括：记录所述测量管的至少一个弯曲振动模式的本征频率值。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述至少一个弯曲振动模式的本征频率依赖于所述测量管的弯曲刚度，所述弯曲刚度对所述测量管中的流体的压力具有交叉灵敏度，其中，基于所记录的本征频率，所述测量管的压力相关的弯曲刚度参与所述密度测量值的确定，其中，所记录的压力测量值中的至少一个被用于确定所述压力相关的弯曲刚度。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，进一步基于沿一段流体路径的压降确定所述流体的粘度，以及其中，相对于对所述流体的粘度的交叉灵敏度，校正所述振动密度计的密度测量值。
9.用于确定流动流体的可压缩性和/或依赖于所述可压缩性的变量的测量装置(101；201)，包括：
用于传送介质的流体路径(116；216)；
设置在所述流体路径(116；216)中的泵(114；214)，所述泵用于驱动所述流体路径(116；216)中的介质的体积流量；
密度计(120；220)，所述密度计包括：具有用于传送所述介质的至少一个可振动测量管(122；222)的至少一个振荡器，用于激励所述测量管的振动的至少一个励磁机构，以及用于记录所述振荡器的至少一个振荡特性的至少一个传感器装置，其中，所述至少一个振荡器的测量管被设置在所述流体路径中；
具有可变流阻的节流装置(160a；260)，其中，所述密度计所述流体路径中被设置在所述泵(114；214)和所述节流装置(160a；260)之间，其中，所述节流装置适于在恒定体积流量的情况下，因不同的流阻产生所述密度计中的不同的静态压力值；
至少一个压力传感器(130；230)，所述压力传感器用于记录所述流体路径(116；216)的压力测量值，其中，所述压力传感器在所述流体路径(116；216)中被设置在所述泵(114；214)和所述节流装置(160；260)之间；
操作和评估单元(140；240)，所述操作和评估单元用于基于在所述节流装置(160a；260)的不同流阻下所记录的至少两个密度测量值和相关联的压力测量值，确定所述流体的可压缩性的值。
10.如权利要求9所述的测量装置，其中：
所述节流装置(160a)具有两个并联连接的止回阀，其中，较之第二止回阀(164a)，第一止回阀(162a)具有更低的工作点，以及
止回阀-闸阀(166a)，其被置于所述第一止回阀(162a)的上游，所述止回阀-闸阀(166a)尤其是可自动控制的。
11.如权利要求9所述的测量装置，其中：
所述节流装置(160b)包括隔膜，该隔膜具有可调隔膜开口。
12.如权利要求9至11中任一项所述的测量装置，其中，
所述测量装置进一步包括第二压力传感器，其中，所述密度计被设置在所述第一压力传感器和所述第二压力传感器之间。
13.如权利要求12所述的测量装置，其中，
所述操作和评估单元(240)适于确定流体压力测量值，所述流体压力测量值与密度测量值相关联，并且是所述第一压力传感器和所述第二压力传感器基本上同时采集的压力测量值的平均值。
14.如权利要求12或13所述的测量装置，其中，
所述操作和评估单元(240)适于基于体积流量以及所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的基本上同时采集的压力测量值之间的差确定所述流体的粘度测量值，并且基于所述振荡器的振动特性和所述粘度测量值确定所述密度测量值。
15.如权利要求9至14中任一项所述的测量装置，其中：
所述操作和评估单元(240)适于基于所述密度测量值、相关联的压力测量值和所确定的可压缩性的值，确定在参考条件下的密度值，所述参考条件例如是1013mbar。
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