CN110073177A - 根据科里奥利原理的质量流量计和用于确定质量流量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种科里奥利质量流量计(1)，包括：测量管(21，22)，其能够振动并且被用于引导介质；至少一个激励器(30)，其用于在测量管中引起振动；至少两个传感器(31，32)，用于检测测量管(21，22)中的振动并且用于输出相关联的第一传感器信号和第二传感器信号；以及至少一个操作和评估单元(90)，其用于驱动激励器(30)，使得检测传感器信号并且基于传感器信号之间的相位差或时间差来确定质量流量测量值，其中，测量管的振动行为具有对介质的粘度的交叉敏感性，其中，对于低于雷诺数阈值的雷诺数，交叉敏感性与斯托克斯数相关，斯托克斯数是用于振动进入到介质中的穿透深度的尺度，其中，操作和评估单元被配置对低于下限雷诺数阈值的雷诺数确定斯托克斯数的当前值，并且在确定质量流量时根据斯托克斯数的当前值来对交叉敏感性的影响进行补偿。

Description

根据科里奥利原理的质量流量计和用于确定质量流量的方法
技术领域
本发明涉及基于科里奥利原理的质量流量计和用于确定质量流量的方法。
背景技术
符合这种类型的质量流量计包括至少一个振动测量管，该测量管用于引导要测量其流速的介质；至少一个激励器，用于在测量管中引起振动；至少两个传感器，用于检测测量管中的振动，并且用于输出依赖于该振动的第一传感器信号和第二传感器信号；以及至少一个操作和评估单元，用于驱动激励器，使得检测传感器信号并基于传感器信号之间的相位差确定质量流量测量值，其以一级近似正比于质量流量。
众所周知的是传感器信号的相位差或时间差具有对介质的粘度的交叉敏感性。WO2011/068500A1、EP1 659377A1和WO2000/36379A1描述了质量流量计，其的操作和评估单元被配置为根据雷诺数(Reynolds number)确定测量介质的粘度并且执行这个交叉敏感性的校正。虽然这些方法能够产生针对雷诺数的大于500的有用结果，但它们仍有针对较小的雷诺数的需求的许多待改进之处。在特别是需要增加小型化的情况下，因此需要能够在这方面提供补救的测量记录。因此，本发明的目的是提供这样的传感器和相对应的方法。
发明内容
根据本发明，该目的利用根据独立权利要求1的质量流量计和根据独立权利要求7的方法来实现。本发明的进一步实施例从属权利要求中得出。
根据科里奥利原理的根据本发明的质量流量计包括：
至少一个振动测量管，用于引导要测量其流速的介质；
至少一个激励器，用于在测量管中引起振动；
至少两个传感器，用于检测测量管中的振动，并且用于输出依赖于振动的第一传感器信号和第二传感器信号；以及
至少一个操作和评估单元，用于驱动激励器，以便检测传感器信号并且基于传感器信号之间的相位差或时间差确定质量流量测量值，其以一级近似正比于质量流量；
其中，测量管的振动行为具有对介质的粘度的交叉敏感性，
其中，对于至少低于下限雷诺数阈值的雷诺数，交叉敏感性与斯托克斯数相关，
特征在于，
操作和评估单元被配置为至少对低于下限雷诺数阈值的雷诺数，根据测量管直径、测量管的特征振荡频率和在介质中流动的介质的粘度来确定斯托克斯数的当前值，其中，斯托克斯数是用于从测量管进入到介质的振动的穿透深度的尺度，以及
其中，操作和评估单元被配置为在确定质量流量时根据斯托克斯数的当前值对交叉敏感性的影响进行补偿，其中，测量管的具有与斯托克斯数相关的交叉敏感性的振动行为包括传感器信号的相位差或时间差。
在本发明的另一实施例中，操作和评估电路被配置为根据在测量管中流动的介质的运动粘度——特别是粘度的单调函数，例如粘度的方根——确定斯托克斯数。
在本发明的另一实施例中，特征振荡频率等于当前激励频率，特别在弯曲振动有用模式下。
在本发明的另一实施例中，特征振荡频率是用于具有特征密度的介质的弯曲振动有用模式下的测量管的固有频率。
在本发明的另一实施例中，特征密度选自：测量管中介质的当前密度、测量管中的在温度范围和/或压力范围上平均的介质的密度、或参考密度。
在本发明的另一实施例中，操作和评估单元被配置为基于测量管振荡的阻尼——特别是基于表示激励器电流的信号与表示振荡幅度的信号之间的比率——确定用于在测量管中流动的介质的粘度测量值。
在本发明的另一实施例中，操作和评估单元被配置为基于一方面在与激励器信号有关的弯曲振动有用模式下的测量管振荡的相位角，以及另一方面在属于相位角的激励器频率与测量管的当前固有频率之间的比率之间的关系来确定用于在测量管中流动的介质的粘度测量值。
在本发明的另一实施例中，操作和评估单元被配置为基于弯曲振动有用模式下的测量管的固有频率来确定用于介质的密度测量值。
在本发明的另一实施例中，操作和评估单元被配置为利用斯托克斯数的多项式、线性函数、对数函数、或另外的单调函数来对交叉敏感性的影响进行补偿。
在本发明的另一个实施方案中，下限雷诺数阈值不大于1000，特别是不大于100，并且如果适用的条件下不大于10。
在本发明的另一实施例中，操作和评估单元被配置为在确定质量流量时，根据斯托克斯数的当前值，对至少用于高于斯托克斯数的下限阈值的斯托克斯数的交叉敏感性的影响进行补偿，其中，斯托克斯数的下限阈值是例如，0.05或0.1。
根据本发明的方法用作利用根据科里奥利原理——特别是根据前述权利要求中的一项的质量流量计——确定质量流量，该质量流量计包括：能够振动的至少一个测量管，用于引导要测量其流速的介质；至少一个激励器，用于在测量管中引起振动；至少两个传感器，用于检测测量管中的振动，并且用于输出依赖于振动的第一传感器信号和第二传感器信号；以及至少一个操作和评估单元，用于驱动激励器，使得检测传感器信号并且基于传感器信号之间的相位差或时间差确定质量流量测量值，其以一级近似正比于质量流量；其中，测量管的振动行为具有对介质的粘度的交叉敏感性，其中，对于至少低于下限雷诺数阈值的雷诺数，交叉敏感性与斯托克斯数相关。
根据本发明的方法包括以下步骤：
驱动激振器以引起振动；
检测传感器信号；
确定传感器信号之间的相位差或时间差；
基于在相位差或时间差确定质量流量测量值，其以一级近似正比于质量流量；
特征在于
至少对低于下限雷诺数阈值的雷诺数、根据测量管直径、测量管的特征振荡频率和在介质流动的介质的粘度来确定斯托克斯数的当前值，其中，斯托克斯数是用于从测量管进入到介质的振荡振动的穿透深度的尺度，以及
其中，在确定质量流量时根据斯托克斯数的当前值对交叉敏感性的影响进行补偿，其中，测量管的具有与斯托克斯数相关的交叉敏感性的振动行为包括传感器信号的相位差或时间差。
在本发明的另一实施例中，根据在测量管中流动的介质的运动粘度——特别是运动粘度的单调函数，例如运动粘度的方根——确定斯托克斯数。
在本发明的另一实施例中，特征振荡频率是用于具有特征密度的介质的测量管振荡的固有频率，其中，特征密度选自：测量管中的介质的当前密度、测量管中的在平均温度范围和/或压力范围上平均的介质的密度、或参考密度。
在本发明的另一实施例中，通过阻尼测量管振荡，特别是基于表示激励器电流的信号和表示振荡幅度的信号之间的比率来确定用于在测量管中流动的介质的所测量的粘度值。
在本发明的另一实施例中，基于一方面在与激励器信号有关的弯曲振动有用模式下的测量管振荡的相位角，以及另一方面在属于相位角的激励器频率与测量管的当前固有频率之间的比率之间的关系来确定用于在测量管中流动的介质的粘度测量值。
在本发明的另一实施例中，通过斯托克斯数的多项式、线性函数、对数函数、或另外的单调函数来对交叉敏感性的影响进行补偿。
在根据本发明的方法的另一实施例中，在测量管中流动的介质是特别地是不含固体或不含气泡的均匀介质，该均匀介质通过相对于介质的液相的测量管振动被加速。
附图说明
现在将基于附图中示出的示例性实施例公开本发明。其中：
图1a：介质位于其间的平面平行板的振动的草图；
图1b：示出根据运动粘度振动向介质中的穿透深度的示意图；
图1c：测量管中剪切运动(shear movements)的草图；
图2：示出在雷诺数之上用于各种流速的相对质量流量测量误差的示意图；
图3：示出根据斯托克斯数(Stokes number)的用于各种流速的相对质量流量测量误差的示意图；
图4a：根据本发明的质量流量计的示例性实施例的图示；
图4b：来自图4a的示例性实施例的详细视图；
图5a：根据本发明的方法的示例性实施例的流程图；
图6a：根据本发明的方法示例性实施例的第一细节的流程图；
图6b：根据本发明的方法示例性实施例的第二细节的流程图；和
图6c：根据本发明的方法的示例性实施例的第二细节的流程图。
具体实施方式
为了表明本发明要解决的问题和根据本发明的解决方案，首先参考图1a至图1c，其中示出了两个平面平行板P，该两个平面平行板P围住非流动介质M并且以恒定距离在相位上彼此相反地以最大速度Vmax执行振动。根据介质的粘度，振动以不同的距离如图1b所示的几厘米的板距和1m/s的量级的最大振动速度被传输到介质中。实线示出了具有运动粘度约为1cSt的介质的速度分布。这里，仅介质的薄边界层被移动。虚线和点划线分别应用于约100cSt和约1000cSt的运动粘度。可清楚地看到，随着粘度增加，振动作为剪切振荡进一步穿透并进一步进入到介质中，并且因此将振动能量释放到介质，从而阻尼板的振荡。振动的穿透深度的尺度(gauge)是斯托克斯数St，例如该斯托克斯数被给出为
其中，v是介质的运动粘度，f是振动的频率，以及D指示板间距。
图1c示意性地示出了质量流量计的测量管，该测量管在X方向上被激励为在所谓的f1模式或有用模式下的弯曲振动。作为示例，因为剪切速率分布可能发生在测量管中包含的介质中，所以ωin和ωout处的箭头指示了所得的剪切速率分布。在静止介质的情况下，这仅导致阻尼对称弯曲振动有用模式。然而，如果介质流动，则从有用频率f1的共振激励出非对称f2模式或科里奥利模式。反对称的弯曲式振动有用模式与对称的弯曲式振动有用模式的叠加导致介质中速度分布的对称性打破，并且因此导致超出均匀阻尼的振动行为的交叉敏感性，特别是根据科里奥利原理的质量流量计的典型振动传感器信号之间的相位关系的交叉敏感性，基于此质量流量被确定。虽然对于诸如Re>1000的较大的雷诺数这种效应可忽略，但对于诸如Re<100的较小的雷诺数该效应是显著的，并且能够引起超过1％的相对测量误差。
图2示出了忽略上述效应的质量流量计的雷诺数Re的典型相对测量误差十字表示测量管中介质的第一流速的数据。三角形表示测量管中介质的第二流速的数据，该第二流速是第一流速的四倍。圆圈表示测量管中介质的第三流速的数据，该第三流速是第二流速的四倍。第一流速小于1米/秒，同时第二流速大于1米/秒。对于这个效应，雷诺数被证明不适合作为用于校正的基础。
图3示出了上述来自图2的流速的斯托克斯数的典型相对测量误差其中符号具有相对于速度的相对应的含义。相对测量误差随斯托克斯数单调增加，并且相对测量误差与斯托克斯数之间的相关性基本上与介质的流速或雷诺数无关。因此，已经发现了一种用于补偿振动的交叉敏感性的方法。下面进一步说明根据本发明的方法。
图4a和图4b中示出的根据本发明的质量流量计1的示例性实施例包括用于安装在管道中的第一连接凸缘2和第二连接凸缘3。凸缘2、3中的每一个具有收集器，凸缘2、3通过刚性载体管6相互连接。仪表壳体10从载体管6延伸到侧部，两个弯曲的测量管21、22在仪表壳体10中延伸，测量管21、22的两端被组合在一个收集器中的两侧上。载体管6具有两个侧向开口61、62，测量管21、22通过两个侧向开口61、62从载体管6引导出并再次返回到载体管6中。测量管21、22被耦接在两个收集器附近，测量管21、22各自具有一些节点板217a、217b、217c、218a、218b、218c，用于确定这一对测量管的振动行为。为了引起弯曲振动，电动激励器30在测量管的顶点弧41、42的区域内居中地布置在两个测量管21、22之间。在顶点弧41、42和下一个节点板217a、218a之间，第一电动振动传感器31和第二电动振动传感器32在两个测量管21、22之间以与顶点弧对称的方式被布置，使得检测测量管振动。载体管6在安装表面63中具有电馈通64，通过该电馈通64引导信号线(这里未示出)。具有包括操作和评估电路90的换能器9的连接适配器8连接到安装表面63。操作和评估电路90经由信号线连接到激励器30和振动传感器31，以驱动激励器30并且检测和评估后者的信号，以利用根据本发明的方法确定质量流量测量值，该质量流量测量值能够经由换能器的信号和供应线输出。
如图5a所示，在根据本发明的方法100的优选示例性实施例中，在第一步骤110中，首先生成必要时能够包括用于其他干扰的补偿的初步质量流量测量值。
在第二步骤120中，测试被执行以确定是否已经未达到例如Recrit＝100的临界雷诺数Recrit。
如果是，在第三步骤130中，发生用于对斯托克斯数的交叉敏感性的补偿；否则，该方法再次以第一步骤110开始。
第一步骤110能够包含例如图5b中示出的子步骤：第一步骤始于驱动激励器111以引起振动。然后检测两个振动传感器的传感器信号112。接下来确定传感器信号之间的相位差或时间差113。基于所确定的相位差或时间差，最终确定初步质量流量测量值114，该初步质量流量测量值114以一级近似(first approximation)正比于相位差或时间差。
第二步骤120需要(如果还没有)确定当前的雷诺数。为此目的，首先，根据供给激励器的激励电流信号与振动传感器的信号的振幅的比率来确定当前粘度测量值121。然后计算基于暂定质量流量测量值的雷诺数122的当前值Re，以及根据的粘度测量值η，其中R是测量管的半径。接下来是雷诺数Re的当前值是否低于临界雷诺数Recrit的检查123。
如图5d所示，第三步骤130详细地包括确定弯曲振动模式131的当前固有频率值f、从固有频率值确定在测量管中包含的介质132的密度测量值、根据v＝η/ρ基于粘度测量值η和密度测量值ρ计算用于运动粘度v133的值。接下来根据下式计算斯托克斯数St 134
在可选步骤135中，能够检查斯托克斯数St是否超过至少一个临界值Stcrit，例如Stcrit＝0.05。如果不是，可以省去补偿，因为其影响是可忽略的。
依赖于斯托克斯数的测量误差136根据以下公式被确定：
其中，C1和C2是设备专有常数。
该方法利用测量误差的暂定质量流量测量值的校正137结束，测量误差依赖于斯托克斯数。

Claims (13)

1.根据科里奥利原理的质量流量计(1)，包括：
能够振动的至少一个测量管(21、22)，所述测量管用于引导介质，该介质的流速要被测量；
至少一个激励器(30)，所述激励器(30)用于在所述测量管中引起振动；
至少两个传感器(31、32)，所述传感器(31、32)用于检测所述测量管中的振动，并且用于输出依赖于所述振动的第一传感器信号和第二传感器信号；以及
至少一个操作和评估单元(90)，所述操作和评估单元(90)用于驱动所述激励器，使得检测所述传感器信号并且基于所述传感器信号之间的相位差或时间差来确定质量流量测量值，其以一级近似正比于质量流量；
其中，所述测量管的振动行为具有对所述介质的粘度的交叉敏感性，
其中，对于至少低于下限雷诺数阈值的雷诺数，所述交叉敏感性与斯托克斯数相关，
特征在于
所述操作和评估单元(90)被配置为，至少对低于所述下限雷诺数阈值的雷诺数，根据所述测量管直径、所述测量管的特征振荡频率和在所述介质中流动的所述介质的粘度来确定斯托克斯数的当前值，其中，所述斯托克斯数是用于从所述测量管进入到所述介质的振动的穿透深度的尺度，以及
其中，所述操作和评估单元被配置为在确定所述质量流量时根据斯托克斯数的当前值对交叉敏感性的影响进行补偿，其中，所述测量管的具有与斯托克斯数相关的交叉敏感性的所述振动行为包括所述传感器信号的相位差或时间差。
2.根据权利要求1所述的质量流量计，其中，所述操作和评估电路被配置为根据在所述测量管中流动的介质的运动粘度——特别是粘度的单调函数，例如所述粘度的方根——确定所述斯托克斯数。
3.根据权利要求1或2所述的质量流量计，其中，所述特征振荡频率等于当前激励频率，特别在弯曲振动有用模式下。
4.根据权利要求3所述的质量流量计，其中，所述特征振荡频率是用于具有特征密度的介质的测量管振荡的固有频率，其中，所述特征密度选自下述：所述测量管中的介质的当前密度，所述测量管中的在温度范围和/或压力范围上平均的介质的密度，或参考密度。
5.根据前述权利要求中一项所述的质量流量计，其中，所述操作和评估单元被配置为基于测量管振荡的阻尼——特别是基于表示激励功率的信号与表示振荡幅度的信号之间的比率——确定用于在所述测量管中流动的所述介质的粘度测量值。
6.根据前述权利要求中一项所述的质量流量计，其中，所述操作和评估单元被配置为利用斯托克斯数的多项式、线性函数、对数函数或另外的单调函数来对交叉敏感性的影响进行补偿。
7.一种用于使用根据科里奥利原理的质量流量计——特别是根据前述权利要求中一项的质量流量计——确定质量流量的方法，所述质量流量计包括：
能够振动的至少一个测量管(21、22)，所述测量管(21、22)用于引导介质，该介质的流速要被测量；
至少一个激励器(30)，所述激励器(30)用于在所述测量管中引起振动；
至少两个传感器(31、32)，所述传感器(31、32)用于检测所述测量管中的振动，并且用于输出依赖于所述振动的第一传感器信号和第二传感器信号；以及
至少一个操作和评估单元(90)，所述操作和评估单元(90)用于驱动所述激励器，使得检测所述传感器信号并且基于所述传感器信号之间的相位差或时间差确定质量流量测量值，其以一级近似正比于质量流量；
其中，所述测量管的振动行为具有对所述介质的粘度的交叉敏感性，
其中，对于至少低于下限雷诺数阈值的雷诺数，所述交叉敏感性与斯托克斯数相关，
其中，所述方法包括以下步骤：
驱动所述激励器以引起振动；
检测所述传感器信号；
确定所述传感器信号之间的相位差或时间差，
基于所述相位差或所述时间差确定质量流量测量值，其以一级近似正比于质量流量；
特征在于
至少对低于所述下限雷诺数阈值的雷诺数，根据所述测量管直径、所述测量管的特征振荡频率和在所述介质中流动的所述介质的粘度来确定斯托克斯数的当前值，其中，所述斯托克斯数是用于从所述测量管进入到所述介质的所述振荡振动的穿透深度的尺度，以及
其中，在确定所述质量流量时根据斯托克斯数的当前值对交叉敏感性的影响进行补偿，其中，所述测量管的具有与斯托克斯数相关的所述交叉敏感性的所述振动行为包括所述传感器信号的相位差或时间差。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，根据在所述测量管中流动的介质的运动粘度——特别是运动粘度的单调函数，例如运动粘度的方根——确定所述斯托克斯数。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述特征振荡频率等于当前激励频率，特别在弯曲振动有用模式下。
10.根据权利要求7至9中一项所述的方法，其中，所述特征振荡频率是用于具有特征密度的介质的测量管振荡的固有频率，其中，所述特征密度选自：所述测量管中的所述介质的当前密度，测量管中的在温度范围和/或压力范围上平均的介质的密度，或参考密度。
11.根据权利要求7至10中一项所述的方法，其中，基于测量管振荡的阻尼——特别是基于表示激励功率的信号与表示振荡幅度的信号之间的比率——确定用于在所述测量管中流动的所述介质的粘度测量值。
12.根据权利要求7至11中一项所述的方法，其中，利用斯托克斯数的多项式、线性函数、对数函数或另外的单调函数来对交叉敏感性的影响进行补偿。
13.根据权利要求7至12中一项所述的方法，其中，所述测量管中流动的所述介质是均匀介质——特别是不含固体或不含气泡的均匀介质，所述均匀介质通过相对于所述介质的液相的所述测量管振动被加速。
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