CN1105301C - 振动管密度计 - Google Patents

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Abstract

一种通过采用以下原理输出高精度的密度输出数据的科里奥利效应密度计，所述的原理就是填充有材料的振动管的固有频率随着该材料的质量流速的升高而降低。高精度的输出数据的获得是通过测量流过振动管的材料的密度和质量流速，修正所测得的密度以便于对它所受到的质量流速的作用进行补偿，以及就所受到的温度变化的影响对密度测量的质量流速修正值作进一步的修正。

Description

振动管密度计
本发明涉及一种振动管密度计，更具体地讲，涉及一种具有精度提高和操作范围扩大的密度输出数据的科里奥利效应振动管密度计。
早期的科里奥利效应振动管密度计，例如在1989年10月31日授予Ruesch的美国专利US4,876,879所公开的那一种，是在假定密度测量的精度不受被测量液体的质量流速、温度、黏度或压力变化的影响的前提下设计和操作的。振动管密度计中的密度测量是基于对振动管的震动的固有频率的测量。早期密度计的设计是假定被驱动的流动管的固有频率的变化仅仅是由通过该流动管流动的材料的密度的变化引起的。这些早期密度计的密度测量值是由这些密度计直接根据所测得的固有频率确定的。
1994年3月15日授予Aranachalam等人的美国专利US5,295,084发现振动流动管的固有频率不仅仅受管内的流体的密度的影响，在这篇专利文献中，密度计的理论和操作有了明显的发展。人们通过分析和实验认识到装填有流动物质的振动管的固有频率随着振动管中的材料的质量流速的增加而降低。通过测量振动管的固有频率和修正所测得的固有频率以便补偿由流动管中的物质的质量流速引起的固有频率的降低，使得密度读数精度提高。然后将经过修正的固有频率用于标准密度的计算。
对在Aranachalum的美国专利中所公开的数学模式的实验和进一步的研究暴露出在Aranachalum所描述的装置中的一个缺陷。Aranachalam的密度计要通过提出三个校正常数加以校正。按照与Ruesch所作相同的方式计算出的首要的两个常数被用于基本密度测量。然而，除去将所测得的管频率应用于基本密度测量计算之外，还提出第三个校正系数以便于对所测得的管频率进行质量流速效应的校正。然后，将经过补偿的管频率应用于基本密度测量计算。第三个校正系数是通过在已知密度的材料按照已知的质量流速通过振动流动管时测量该振动管的固有频率测得的。管频率的改变由此与质量流速有关。
然而，通过分析和实验业已得知，由通过振动管的材料的质量流速而引起的固有频率的降低本身取决于流动材料的密度。换句话讲，按照给定的质量流速对于不同密度的材料来说振动管的固有频率的降低是不同的。通过振动管的材料的密度越低，就每单位质量流速而言振动管的固有频率的降低就越多。在实际的应用中，密度计被用于测量与校正密度计所依据的相同的材料的情况是极为少见的。
因此，就Aranachalum所描述的密度计来说，还存在一个问题。尽管它们相比早期的密度计而言它们的密度测量提高了一个数量级，但是，如果在操作中它们被用于测量校正密度计所依据的材料以外的流动材料，那么它们的性能将降低。需要有一种能够对质量流速的作用进行补偿的、与被测材料的密度无关的密度计。
现行密度计的另一个缺点是不能就温度变化对现有的密度补偿方案的作用进行补偿。众所周知，振动流动管的材料性能随温度而变化并且在科里奥利质量流量计中业已将这一事实考虑在其中，因为科里奥利质量流量计一开始就是做为市售装置而出现的。尤其是已有技术的科里奥利质量流量计补偿由于科里奥利质量流量计运行过程中温度的变化而引起的流动管材料的杨氏模量(Young′s Modulus)的变化。然而，Aranachalum补偿方案本身受温度变化的影响，从而降低了它的性能。
因此，需要有一种性能特征得到改进的密度计。也就是说，需要有一种对流过振动管的材料的质量流速的影响给以补偿的、与被测材料的密度无关的密度计。此外，还需要一种能对密度测量值提供质量流速影响补偿的密度计，而该密度计本身也得到对于影响温度变化补偿的补偿。
本发明允许从与通过其中的物质的质量流速无关的和与振动流动管的温度无关的流量计获得高精度输出数据，以上问题的解决和该技术领域的进步都是借助于本发明获得的。本发明提供了这样一种振动管密度计：这种密度计可以给出质量流速和温度的影响得到了补偿、从而将密度测量性能提高到以前难以达到的水平的密度测量值。
振动管密度计工作的基本原理是：一根振动管或一些振动管的振动的固有频率随着振动管之中被测定材料的密度的变化而变化。振动管固有频率的变化被跟踪并与被测流体的密度有关。这一领域中的研究人员已知：振动管的固有频率还受除流过振动管的流体的密度的变化以外的其他的因素的影响。振动管固有频率随着通过振动管的物质的质量流速的增加而降低。除此之外，温度的变化影响振动管的材料性能并因此影响振动管的固有频率和质量流速作用或频率。
考虑流过振动管的材料的质量流速作用的理论模式首先被应用于Aranachalum的专利中的市售密度测量装置。这种模式以被称为Housner｀s公式的形式列出，这个公式是一个说明含有流动物质的流动管的无阻尼的、横向的自由振动的一维流体一弹性公式，公式具体如下： EI ∂ 4 u ∂ x 4 + ( ρ f A f + ρ s A s ) ∂ 2 u ∂ t 2 + 2 ρ f A f V o ∂ 2 u ∂ x ∂ t + ρ f A f V o 2 ∂ 2 u ∂ x 2 = C 在其中，
E＝流动管的弹性的杨氏模量
I＝流动管惯性矩
ρf＝材料的密度
ρs＝流动管的密度
Af＝流动区的横截面面积
As＝流动管的横截面面积
Vo＝流速
u(x，t)＝流动管的横向位移
这个混合偏导数项被称为Housner｀s公式的科里奥利项。对应于空间变量(x)项的二阶偏导数被称为Housner｀s公式的离心项。这种模式被用于导出Aranachalum专利的补偿方案，并且其在商用密度计中的应用使得比现行的密度计密度测量性能提高了一个数量级。由于Housner`s公式的复杂性，它的分析解答限于直管密度计结构。然后将这些直管结果外推至曲线管密度计结构。尽管对于曲线管密度计结构来说这样得到的密度测量性能的改进是显著的，但是本发明通过考虑曲线管密度计结构专有的特征进一步明显地提高了密度计的性能。
本发明利用了对于振动管密度计的运行原理的新的理解。这一新的理解具体体现在如下所述那样的更为精确的分析模式，这种理解被用于提供一种不同于Aranachalum专利所提供的补偿的、与被测材料的密度无关的补偿。
在使用振动管(无论是直线的还是曲线的)的情况下，流经振动管的材料的一种效应就是产生作用于振动管的一些力。这些力用Housner`s公式来说明，包括离心力和科里奥利力。主要导致振动管的固有频率随质量流速的增加而降低的正是离心力。在使质量流速影响固有频率的过程中科里奥利力也起了一定的作用，但起主要作用的正是离心力。然而，这些离心力的类型对于直线振动管和曲线振动管是不同的。
直线的和曲线的振动管两者都遇到可以称之为动态离心力的力。动态离心力是由振动管的振动所造成的振动管的局部曲率引起的。直线管密度计和曲线管密度计两者都通过它们相应的管的振动而工作，并且在每一种情况下振动管，无论是直线的还是曲线的，都要受到所产生的动态离心力的作用。动态离心力对振动管的固有频率的影响与流体的质量流速和密度有关。借助于Aranachalum专利的密度补偿方案所要补偿的正是Housner｀s公式的动态离心力的影响。
在应用了曲线管的密度计或科里奥利质量流量计的情况下，曲线管的弯曲引起了另一类型的离心力，被称为稳态离心力。稳态离心力是流动材料在它绕流动管的弯曲部分流动时方向改变产生的。响应该稳态离心力产生一些张力。在这些张力的有关分量被代入Housner｀s公式时，可以看出：用张力项表示的稳态离心力实际上消除了动态离心力。在直线管密度计中不存在稳态离心力，这是由于在这种管中没有固定的弯曲。因此，在直线管密度计中不能利用稳态离心力消除动态离心力。
下式表示代入了有关张力项的一个弯曲管的Housner｀s公式。 EI ∂ 4 u ∂ x 4 + ( ρ f A f + ρ s A s ) ∂ 2 u ∂ t 2 + 2 ρ f A f V o ∂ 2 u ∂ x ∂ t + ρ f A f V o 2 ∂ 2 u ∂ x 2 - T ∂ 2 u ∂ x 2 = 0
在其中，
                   T＝ρfAfVo 2张力项(稳态离心力)消除了动态离心力项，产生了Housner｀s公式的以下表达式。
如上所知，与科里奥利力相反的离心力主要响应由通过振动管的材料的质量流速引起的对振动管固有频率的作用。由于如刚才说的在曲线管密度计中动态离心力和稳态离心力彼此相抵消，应用弯曲管的密度计对质量流速的敏感性远远低于应用直线管的密度计，这是因为只有科里奥利力影响密度测量。
在Aranachalum专利的补偿方案中，离心力是占优势的力，被补偿的正是动态离心力和科里奥利力对振动管的影响。由Aranachalum所提供的补偿必须包括对密度的依赖性。这是由于Aranachalum补偿涉及到测量管的频率、通过计算管频率的倒数确定管的周期并将管的周期乘以包括测得的体积流速的因子。在科里奥利流量计中部分地使用测得的密度来确定体积流速，因此，Aranachalum密度补偿包括对被测定材料的固有的依赖性。
在本发明中，由于离心力抵消，被补偿的正是科里奥利力对振动管的影响。本发明所提供和利用的补偿因素不包括表示做为补偿因素的一部分的密度项。结果，由本发明提供的密度补偿与待测材料的密度无关。因此，为了应用于曲线管密度计，本发明提供了一种密度测量，这种测量不受通过振动管的材料的质量流速影响，并且补偿本身不受被测材料的密度的影响。
本发明的方法和装置首先利用Ruesch的美国专利中所描述的密度测量计算方法确定被测密度： D m = K 2 T m 2 ( 1 - t c t m ) - K 1 在其中，
Dm为测得的材料的密度(g/cm3)
Tm为测得的管周期(s)
K1等于K2Ta 2-Da
K2等于d/(Tw 2-Ta 2)
Dw为校正时水的密度(g/cm3)
Da为校正时空气的密度(g/cm3)
d为Dw-Da(g/cm3)
tc为温度补偿因子[(按照T2 m/℃计变化％)/100]
ta为校正时不流动的空气的管周期，修正到0℃(s)
Tw为校正时不流动的水的管周期，修正到0℃(s)
tm为测得的温度(℃)
而后，如下式所示那样利用补偿因子K3修正所测得的密度(Dm)：
               Dc＝Dm-K3(Mm)2
在其中，
Dm为测得的密度(g/cm3)
Dc为经过补偿的密度(g/cm3)
Mm为测得的质量流速(g/s)
K3等于Dk3/(Mk3 2)
Dk3(g/cm3)是在按质量流速Mk3(g/s)的校正过程中所测定的密度的误差。通过按照已知的质量流速测定密度读数误差的方式在校正过程中确定K3。就这样从测得的密度导出经过校正的密度。
本发明的另一个优点是以上所述的补偿方式还可以加以改善，使得对密度进行的质量流速影响补偿本身还可以得到温度影响补偿。业已通过实验和分析确定：由于质量流速而产生的密度测量误差还随温度而变化。本发明就提供了对这种温度影响的补偿。
一种附加校正常数K4被定义如下： K 4 = [ D k 4 / ( K 3 × M k 4 2 ) - 1 ] / ( t k 4 - t k 3 ) 在其中，
Dk4是在温度tk4和质量流速Mk4下的测定密度误差(Dm)。
K3是在前确定的校正常数
tk3是确定K3时的温度(℃)
tk4是确定K4时的温度(℃)
Mk4是确定K4时的质量流速(g/s)K4用于在操作温度偏离确定K3时的温度的情况下调节K3的值。在校正过程中确定K3后如以上所述那样通过改变流动物质的温度并且重新测定流动物质的密度的方式确定K4。温度的变化导致经过补偿的密度测定值的误差，如以上所述那样进行计算K4。
在本发明的运行过程中使用校正常数K4如下所述那样调节K3的值：
  Dc＝DM-K3[1+K4(tm-tk3)](Mm)2在其中，
Dm是测得的密度(g/cc)
Dc是经过校正的密度(g/cc)
Mm是测得的质量流速(g/s)
tm是测得的温度(℃)
tk3是计算K3时的温度(℃)
K3和K4如以上所定义的那样K4就这样使温度对K3补偿因子的影响线性化。
根据本发明，与一个或一些振动流动管相连接或相结合的传感器装置同一个产生指示流过该振动管的物质的测定密度的数据的信号处理电路相连接。该信号处理电路将以下这样的因素考虑进去：由于待测物质的质量流速和/或振动管的温度的变化测得的密度不能保持恒定。在这种情况下，信号处理电路对测得的密度加以修正并且产生确定与其密度被测定的物质的质量流速无关的经过修正的密度的输出信号。质量流速补偿因子本身也得到有关振动管温度变化的影响的补偿。本发明方法应用于曲线管密度计最为理想，但是也可以应用于直线管密度计。
图1示出本发明的一个可能是最为典型的实施例。
图2示出图1的计量电子线路20的进一步的细节。
图3是说明一个振动管密度计的测量密度误差/质量流速关系的曲线。
图4是一幅流程图，该图描述在计量电子线路测量密度并且就质量流速对密度测量的影响对测得的密度加以修正的计量电子线路20和它的处理电路210操作。
图5是说明在测量密度的各种温度下质量流速的影响的曲线。
图6是一幅流程图，该图描述在计量电子线路测量密度并且就质量流速对密度测量的影响对测得的密度加以修正的计量电子线路20和它的处理电路210操作，图中考虑到温度对这种影响的作用关系。
图7是说明利用本发明对密度测量性能进行改进的曲线。
在图1至7中示出了一个可能是较为可取的典型的实施例。特别需要理解的是本发明不限于这个典型的实施例。其他的实施例和改进也将包括在权利要求书中所记载的发明构思之中。本发明还可以用以上所述的仪器以外的其他仪器来实施。本发明的成功的实施并不依赖于任何的仪器的几何形状，尽管可选择在曲线管密度计中获得实施。
对总的系统的说明(图1)
图1示出一种包括一个科里奥利计量组件10和计量电子线路20的科里奥利密度计5。计量组件10响应于工艺材料的质量流速和密度。计量电子线路20经由导线100与计量组件10相连接以便于通过线路26提供密度、质量流速和温度信息，以及其他不涉及本发明的信息。在这里描述了一种科里奥利流量计结构，尽管对于本领与的普通技术人员来说显而易见本发明可以以振动管密度计的形式加以实施，而无须由一个科里奥利质量流量计提供附加的测量能力。
科里奥利密度计方便且可取，原因在于如下所述那样它固有的能力使它能够提供本发明的运行所必须的质量流速信息。如果使用的是非科里奥利型的振动管密度计，质量流速信息则需要从一个单独的这种信息源输入。
计量组件10包括一对歧管150和150′、一对具有法兰颈110和110′的法兰103和103′、一对平行流动管130和130′、驱动机构180、温度传感器190以及一对速度传感器170L和170R。流动管130和130′具有两根基本上直的进口支管131和131′和一对出口支管134和134′，它们在流动管支撑块120和120′上朝向彼此汇合。流动管130和130′沿着它们的长度在两个对称的位置弯曲并且沿它们的整个长度基本上平行。支撑条140和140′用于确定每一个振动管振动所依据的轴W和W′。
流动管130和130′的侧面支管131和131′和134和134′固定地安装到流动管支撑块120和120′上，而这些支撑块又固定地安装到歧管150和150′上。这样就提供了一种通过科里奥利计量组件10的连续的封闭的物料管路。
在具有孔102和102′的法兰103和103′经由进口端104和出口端104′被连接到携带待测定的工艺物料的流动管系统(未示出)时，材料通过法兰103的管孔101的进入端104通过歧管150被导向具有一个表面121的流动管支撑块120。在歧管150内材料被分流并且迂回通过流动管130和130’。在离开流动管130和130′时，工艺物料在歧管150内又重新组合成为单独一股物料流，并在而后被发送至用具有若干螺栓孔102′的法兰103′连接到流动管系统(未示出)的出口端104′。
选择流动管130和130′并将它们适当地安装到流动管支撑块120和120′上，以便于分别围绕着弯曲轴W-W和W′-W′具有基本上相同的质量分布、转动惯量和杨氏模量。这些弯曲轴通过支撑条140和140′。由于流动管的杨氏模量随温度而变化并且这种变化影响流量和密度的计算，所以将耐高温检测器(RTD)190(通常是一种铂RTD装置)安装到流动管130′上，以便于连续地测定流动管的温度。流动管的温度以及为使一个给定的电流从中通过横跨RTD出现的电压受通过流动管的材料的温度的控制。横跨RTD出现的依赖于温度的电压按照一个公知的方法被计量电子线路20用于补偿由于流动管温度的任意变化而引起的流动管130和130′的弹性模量的变化。根据本发明，管温度还被用于补偿质量流速密度补偿所受到的振动管温度变化的影响。RTD通过导线195与仪器电路20相连。
流动管130和130′两者在它们的相应的弯曲轴W和W’周围的相对的方向上和被称为流量计的第一异相固有频率的位置上被驱动器180驱动。流动管130和130′两者象调谐音叉的叉一样振动。这种驱动机构180可以包括许多公知的装置，例如安装到流动管130′上的磁铁和安装到流动管130上并且其中通过用于使流动管振动的交流电流的反作用线圈中的任意一种。由计量电子线路20经由导线185将合适的驱动信号加到驱动机构180上。
计量电子线路接受导线195上的RTD温度信号和分别出现在导线165L和165R上的左和右速度信号。计量电子线路20产生出现在导线185上的驱动信号，驱动驱动机构180和振(流)动管130和130′。计量电子线路20处理左和右速度信号和RTD信号，以便于计算质量流速和通过计量组件10的材料的密度。这种信息连同其他的信息一起由计量电子线路20经线路26加到应用装置29上。在确定密度时，电子线路20按照本发明教导的方法修正所测得的通过流动管130和130′的材料的密度。
对计量电子线路的说明(图2)
图2示出了计量电子线路20的原理图，该电子线路包括质量流量测量电路201、流动管驱动电路202、密度测量值处理电路210和RTD输入电路203。
流动管驱动电路202通过导线185将重复的交变或脉冲信号提供给驱动机构180。驱动电路202使驱动信号与导线165L上的左速度信号同步并使流动管130和130′两者按照它们的基本的固有频率保持相反的正弦运动。这一频率受包括流动管的特性、密度以及从中流过的材料的质量流速在内的许多因素的影响。由于电路202在该技术领域中是已知的，并且它的特定的装置没有构成本发明的一部分，故而在这里不作进一步的讨论。读者如有兴趣可参考美国专利5009109(1991年4月23日授予P.kalotay等人)；4934196(1990年6月19日授予P.Romano)和4876879(1989年10月31日授予J.Ruesch)，这些专利进一步描述了流动管驱动电路的一些不同的实施例。
可以在计量电子线路20中并且尤其是在质量流量测量电路201中利用众多的已知方法中的任意一个对由传感器170L和170R所产生的信号加以处理，以便计算流过该流量计的材料的质量流速。在图2中绘出了这些处理途径中的一个方法。质量流量测量电路201包括两个独立的输入通道：左通道220和右通道230。每一个通道包括一个积分器和两个电平交叉检测器222和223。在两个通道中，从左和右传感器170L和170R发出的左和右速度信号被提供给相应的积分器221和231。这两个积分器中的每一个实际上形成一个低通滤波器。积分器221和231被提供给电平交叉检测器(实际上是比较器)222和223，无论何时，一旦相应的积分速度信号超出由一个小的预先确定的正的和负的电压电平，例如±2.5V，这两个检测器就产生电平变化信号。电平交叉检测器222和223的输出作为控制信号被输送给计数器204，以便测量定时间隔(以时钟脉冲数为单位)，该间隔出现在这些输出的相应的变化之间。这个间隔代表由左传感器170L产生的信号和右传感器170R产生的信号之间的相位差。该相位差与流过管130和130′的材料的质量流速成正比。这个代表相位差(以计数器计数为单位)的值作为输入数据通过线路205提供给处理电路210。
可以利用一些已知的方法中的任意一个完成对通过管130和130′的材料的质量流速和体积流速。这些附加的计算质量流速的方法对于本领域的普通技术人员来说是公知的，因此，读者若有兴趣可以参考有关进一步说明质量流速计算的以下一些专利：1982年2月11日授予Smith的U.S.专利Re31450、1993年8月3日授予Zolock的U.S.专利5231884以及1990年4月10日授予Young等的U.S.专利4914956。
流动管130和130′的振动的固有频率是通过监测从两个传感器之一发出的信号的方式测量的。从右传感器170R产生的信号经过线路206输送给处理电路210。处理电路210可进行运算对由右传感器170R频率输出计数，以便确定振动管130和130′的振动频率。
温度元件RTD190由线路195连接到RTD输入电路203上，该输入电路提供恒定电流给温度元件RTD190，使跨RTD元件的电压线性化并且利用加到电压-频率转换器(未示出)将这个电压转化为具有随RTD电压中任意变化成比例变化的成比例的频率的脉冲流。由电路203产生的结果脉冲流作为输入信号通过线路209被提供给处理电路210。
图2中的密度测量处理电路210包括微处理器211和一些包括ROM存储器212和RAM存储器213的存储器件。ROM212存储微处理器211在完成它的功能时所使用的永久性的信息，而RAM213存储微处理器211所使用的临时性的信息。微处理器与它的ROM和RAM存储器以及总线系统214控制处理电路210的所有的功能，结果使得它如这里所描述的那样可以接受输入信号并按照需要处理它们以便通过线路26将本发明的科里奥利效应密度计所产生的各个数据项提供给应用装置29。处理电路210周期性地更新可以在应用装置29上得到的信息。通过线路26提供给应用装置29的信息包括质量流速、体积流速和密度信息。应用装置29或者可以包括一个可以对所产生的密度信息进行可视显示的测量计，或者可以包括一个受线路26上的密度信号控制的过程控制系统。
包括微处理器211和存储器件212和213的处理电路210根据本发明运行，以便提供高精度的密度信息。如接下去结合图4和5详细描述过的那样，这种高精度的密度信息是按照以下步骤得出的，这些步骤包括：根据由速度传感器170L和170R提供的信号测量振动管的固有频率，根据已知的公式计算测得的密度，以及修正测得的密度以便补偿测得的密度随流过管130和130′的材料的质量流速的变化而变化，以及随管130和130′的温度的变化而变化这样的因素的影响。这样的密度输出数据的精度远远大于不对所测得的密度加以修正的情况或者修正固有频率而不修正密度的情况。
质量流速对密度测量的影响(图3)
如上所提到的那样，振动管的固有频率随流过管的材料的质量流速的增加而降低。由于基本密度测量依赖于振动管的频率和密度之间的关系，所以这种作用直接影响测得的密度。
图3示出了质量流速对密度测量的精度的影响。图3的垂直轴对应于密度误差，以.001g/cm3表示。水平轴以每分磅(磅/分钟)表示质量流速。线301和302表示直管密度计结构对质量流速的影响。线301代表在具有1.194比重单位(SGU)的流动材料的一个质量流速范围内密度测量的误差。线302代表在具有0.994比重单位(SGU)的流动材料的一个质量流速范围内密度测量的误差。在两种情况下，物理学振动结构是相同的。所不同的只是振动管内的流动材料。图3描绘出密度测量依赖于通过流动管流动的材料的质量流速。线301和302显示出，对于直管密度计来说，对于不同密度的材料的质量流速的依赖关系是不同的。线303和304表示，就具有类似于用于产生线301和302的数据的直管密度计的流体容量的曲线管密度计来说，质量流速对于密度的影响。如上所提到的那样，曲线管密度计的共振频率对于质量流速的作用的敏感性不如直管密度计的共振频率对于质量流速的作用的敏感性，在图3中示出了这种情况。线303表示与线301相同的流体(1.194SGU)的数据，而线304表示与线302相同的流体(0.994SGU)的数据。在图3中显而易见线303的数据与线304的数据的差别难以区分，这说明了这样一个事实，即在曲线管密度计中，由于质量流速而产生的密度读数误差对于不同密度的流体来说并不改变。
在图3中没有显示出振动管的温度对密度测量的影响。以下讨论的图6说明了质量流速和温度的综合影响。
对密度修正的说明(图4)
图4以流程图的形式说明微处理器211和存储器212和213是如何进行运算计算出补偿了质量流速对测得的密度的影响的密度值。以下参考图5和6讨论更进一步补偿温度对密度补偿的影响的本发明的又一个实施例。
在处理步骤401的过程中，密度测量过程以微处理器211接受通过系统总线214从ROM212和RAM213输入和设定信息开始，而输入处理电路210的输入信号已经说明过。在这个过程中由微处理器211接受的信号是表示流动管振动频率(FREQ)的信号、温度信号(RTD)和被测量的质量流速信号(Mm)。在处理步骤401的过程中提供给微处理器211的还有微处理器211在确定密度时使用的若干常数。这些常数K1、K2、K3和tc在校正质量流量传感器10和计量电子线路20时被存储在ROM212和RAM213中。
校正常数K1和K2是通过对于具有已知密度的两种不同的材料测定一个或一些振动管的振动周期计算出的。校正常数K3是通过按照已知的质量流速计算测量密度误差而确定的。这可以使用用于确定校正常数K1和K2的材料来进行，或者也可以使用不同的材料。如上所提到的那样，在校正密度计时计算K1、K2和K3并将它们存储在存储器件212和213中。
校正常数tc与振动管的构成材料的杨氏模量有关。已知表示管的刚度的杨氏模量随温度而变化。振动管的刚度的变化导致振动管的固有频率的变化。如以下所要描述的那样，校正常数tc用于补偿振动管刚度的变化。
在步骤402的过程中，微处理器211使用FREQ信号确定振动管的振动频率。微处理器211还通过计算振动频率的倒数确定测量管的周期(Tm)。
在步骤403的过程中，微处理器211根据以下公式计算测量密度(Dm)： D m = K 2 T m 2 ( 1 - t c t m ) - K 1 在其中，Dm是材料的测定密度(g/cm3)Tm是测定管周期(秒)K1等于K2Ta 2-DaK2等于d/(Tw 2-Ta 2)Dw是校正时水的密度(g/cm3)Da是校正时空气的密度(g/cm3)d是Dw-Da(g/cm3)tc是温度补偿因子(％变化，单位T2 m/℃)/100)Ta是校正时不流动的空气的管周期，修正到0℃(秒)Tw是校正时不流动的水的管周期，修正到0℃(秒)tm是测量温度(℃)
测定密度以及常数K1、K2和tc的这种计算与已有技术密度计中所采用的计算(例如Ruesch所描述的那种)相同。
在步骤404的过程中，对测得的密度(Dm)作质量流速影响的补偿，以便确定经过补偿的密度(Dc)。
经过补偿的密度(Dc)按下式计算：
Dc＝Dm-K3(Mm)2在其中，
Dm是测定的密度(g/cm3)
Dc是经过补偿的密度(g/cm3)
Mm是测定的质量流速(g/分钟)
K3等于Dk3/Mk3 2
Dk3是在以质量流速Mk3校正时测得的密度的误差(g/cm3)。
在步骤405的过程中，经过补偿的密度信息(Dc)被提供给应用装置29，在其中，该信息被显示，记录或用于处理控制系统。
质量流速和温度对密度测量的综合影响(图5)
在本发明的另外一个实施例中，就管温度对质量流速引起的密度误差的影响对补偿因子K3本身作了补偿。由于杨氏模量的变化，质量流速在不同的振动管温度下对密度测量的影响稍有不同。在图5中显示出这种影响，在该图中，线501表示在30℃的温度下在给定的密度计中质量流速引起的密度误差，而线502表示在100℃的温度下在同样的密度计中质量流速引起的密度误差。为了补偿这种影响，设立了一个校正常数K4。
计算K4如下： K 4 = [ D k 4 / ( K 3 × M k 4 2 ) - 1 ] / ( t k 4 - t k 3 ) 在其中，
Dk4在温度tk4和质量流速Mk4下的密度读数误差(g/cc)
K3预先确定的校正常数
tk3测定K3所使用的温度(℃)
tk4测定K4所使用的温度(℃)
Mk4测定K4所使用的质量流速(g/秒)
按照以下方式在校正过程中确定K4。在计算出K3后，使材料按照已知的质量流速再次通过该密度计，但是此时是在不同于计算K3的温度下。按以下所述那样使用在这种不同的操作温度下密度误差确定K4。如以下所述那样使用校正常数K4以便就温度对质量流速作用补偿的影响补偿校正常数K3。
对于包括温度补偿的有关质量流速的密度修正(图6)
本发明可用于按照与图4所描述的完全相同的方法就温度对质量流速引起的密度误差的影响完成对测定密度的修正。因此，只对不同于结合图4所说明的过程的步骤作详细说明，从而简化对图6的说明。
在步骤601中，微处理器211接受就图4的步骤401所描述的所有的信号和信息，并且除此之外还接受校正常数K4和tk3。
在步骤602，微处理器211如图4的步骤402那样确定振动管的频率和周期。
在步骤603，微处理器211如图4的步骤403那样计算所测得的密度(Dm)。
在步骤604，微处理器211根据下式计算经过补偿的密度(Dc)：
Dc＝Dm-K3[1+K4(tm-tK3)](Mm)2在其中，Dm是所测得的密度(g/cc)Dc是经过修正的密度(g/cc)Mm是测得的质量流速(g/秒)tm是测得的温度(℃)tk3是计算K3时所处的温度(℃)K3和K4如前面所定义的那样
在步骤605的过程中，经过补偿的密度信息被提供给应用装置29并且按照与对应图4所描述的相同的方式被显示或被使用。
由K4提供的对K3的温度补偿是线性的。由于质量流速而出现的密度误差对于温度的实际的函数关系不是简单的线性关系。对本领域中的普通技术人员来说，显而易见，在K4中可以包括不同的补偿因素，以便于以不同的方式表征由质量流速引起的密度测量误差与温度的关系。
本发明的密度测量改进(图7)
图7显示出利用本发明所获得的密度测量性能的改进。制作曲线701-704的数据是由以上所讨论的分析模式产生的。曲线701表示未经修正过的密度测量误差。曲线702表示在按照完成密度校正所处的同样的温度进行密度测量时利用本发明的密度测量误差。曲线703表示只利用质量流速补偿而不就所受到的温度的影响对质量流速补偿进行补偿的密度测量误差。由曲线703所表示的校正温度和测量温度之间的温度差是50℃。曲线704表示在测量温度不同于完成密度校正所处的温度时利用本发明的质量流速补偿部分和温度补偿部分的密度测量误差。用制作曲线704的数据表示的温度差与用制作曲线703的数据表示的温度差相同。
就密度测量领域而言，本发明的优点是显而易见的。显然，要求保护的发明所说明的这些优选的实施例，而是还包括属于本发明的构思的范围和精髓之内的其他的改进和变换类型。
此外，可以用本发明的方法和装置测定温度的材料可以包括液体，气体，它们的混合物以及任何流动的材料，例如不同类型的浆液。所述的流动材料的质量流速可以用包括密度计的装置产生，或者还可以由单独的装置产生并被提供给本发明的密度计。同样，被本发明的方法所利用的温度信息可以从作为密度计一部分的温度传感器获得，正如本说明书所描述的那样，或者可以由某些其他的温度检测装置来提供。

Claims (19)

1.一种操作设备(5)用于确定流过具有振动管装置(130，130’)的流量计(10)中的材料的密度的方法，在所述的振动管装置中所述的流动材料的测定密度随着通过所述的振动管装置(130，130’)的所述的流动材料的流速变化而变化，所述的方法包括以下步骤：
在所述的材料在其中流动时测量所述的振动管装置的振动周期Tm(FREQ，402)，
相应于所述的振动周期Tm的所述的测量产生所述的流动材料的测量密度值Dm，
接受表示通过所述振动管(130，130’)的所述流动材料的所述的质量流速的质量流速值Mm，
其特征在于：
相应于所述的流动材料的所述的质量流速的变化产生限定所述的测定密度的灵敏度的流速作用因子k3；
将所述的流速作用因子k3乘以所述的测得的质量流速Mm以便于确定质量流速引起的密度误差值k3(Mm)2；
将所述的测量密度值减去基本上等于所述的质量流速引起的密度误差值k3(Mm)2，以便于确定一个经过修正的密度值Dc；以及
将所述的经过修正的密度值Dc传送给输出装置(29)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的产生(401)所述的流速作用因子k3的步骤包括以下步骤：
测量按照第一校正质量流速测出的所述流动材料的第一校正密度与按照第二校正质量流速测出的所述流动材料的第二校正密度之间的差；
相对于所测得的密度差确定所述的质量流速作用因子；
以及将所述的质量流速作用因子存储在一个存储器中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的质量流速作用因子(K3)是通过解以下数学式确定的：
K3＝(D1-D2)/(M1-M2)2在其中，
K3是所述的质量流速校正常数，
D1是按照第一质量流速(M1)测出的所述流动材料的第一测定密度，
D2是按照第二质量流速(M2)测出的所述流动材料的第二测定密度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的经过校正的密度值(Dc)是通过解以下数学式确定的：
Dc＝Dm-K3(Mm)2在其中，Dc是经过校正的密度，Dm测得的密度，K3是所述的流速校正常数，Mm是所述的测得的流速。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的产生一个测得的密度值的步骤包括：
相对于所述的测得的振动周期计算所述的测得的密度值，在其中，所述的测得的密度值与所述的测得的振动周期的平方呈线性关系。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的测得的密度(Dm)是通过解以下数学式确定的： D m = K 2 T m 2 ( 1 - t c t m ) - K 1
在其中，
Dm是材料的测得的密度(g/cm3)
Tm是测得的管周期(秒)
K1等于K2Ta 2-Da
K2等于d/(Tw 2-Ta 2)
Dw是校正时水的密度(g/cm3)
Da是校正时空气的密度(g/cm3)
d是Dw-Da(g/cm3)
tc是温度补偿因子((％变化按照T2 m/℃)/100)
Ta是校正时不流动的空气的管周期，修正到0℃(秒)
Tw是校正时不流动的水的管周期，修正到0℃(秒)
tm是测得的温度(℃)
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的计算经过修整的密度值的步骤又包括以下步骤：
从存储器中读出所述的流量计的流速作用因子，在其中，所述的流速作用因子限定所测得的密度对于所述流动材料的质量流速的灵敏度；
接受一个温度值，在其中，所述的温度值代表所述的流动材料的温度；
根据所述的温度值调节所述的流速作用因子；以及
将所述的经过温度调节的流速作用因子应用于所述的测得的密度，以便于确定经过修正的密度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的调节所述的流速作用因子的步骤又包括以下步骤：
从第二个存储器中读出温度补偿因子，在其中，所述的温度补偿因子限定所述的流速作用因子对于所述的流动材料的温度变化的灵敏度；以及
将所述的温度补偿因子应用于所述的流速作用因子，以便于根据所述流动材料的温度变化的影响调节所述的流速作用因子。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述的温度补偿因子是通过解以下数学式确定的： K 4 = [ D k 4 / ( K 3 × M k 4 2 ) - 1 ] / ( t k 4 - t k 3 ) 在其中，
Dk4在温度tk4和质量流速Mk4下的测得密度(Dm)误差(g/cc)
K3是预先确定的校正常数
tk3是测定K3所使用的温度(℃)
tk4是测定K4所使用的温度(℃)
Mk4是测定K4所使用的质量流速(g/秒)
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于将所述的经过温度调节的流速作用因子应用于所述的测得的密度和所述的测得的质量流速的步骤包括解以下数学式： D c = D m - K 3 [ 1 + K 4 ( t m - t K 3 ) ] ( M m ) 2 在其中，
Dm是所测得的密度(g/cc)
Dc是经过修正的密度(g/cc)
Mm是测得的质量流速(g/秒)
tm是测得的温度(℃)
tk3是校正K3时所处的温度(℃)
K3和K4如前面所定义的那样
11.一种用于确定流过具有振动管装置(131，131’)的流量计(10)的材料的密度的设备(20)，在其中，所述的流动材料的测得的密度在流过所述的振动管装置的材料的流速改变时改变，所述的设备包括：
用于在所述的材料从其中流过时测量(170R，206，210)所述的振动管装置(131，131′)的振动周期Tm的装置；
用于根据对所述的振动周期Tm的所述测量产生(210)所述的流动材料的测得的密度值Dm的装置；
用于接受(170L，170R，201，210)代表流过所述的振动管(131，131′)的材料的质量流速Mm的质量流速值Mm，
其特征在于还包括：
用于产生(210)限定所述的测得的密度对于所述的流动材料的所述的质量流速的变化的敏感度的流速作用因子k3的装置；
用于将所述的流速作用因子k3乘以(210)所述的测得的质量流速以便于得到质量流速引起的密度误差值k3(Mm)2的装置；
用于从所述的测得密度值中减去(210)一个基本上等于质量流速Mm引起的密度误差值k3(Mm)2的量以便于确定经过修正的密度值Dc的装置；以及
用于将所述的经过修正的密度值传送(210，26)给输出装置(29)的装置。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于所述的流速作用因子是通过解以下的数学式确定的：
K3＝(D1-D2)/(M1-M2)2在其中，
K3是所述的质量流速校正常数，
D1是按照第一质量流速(M1)测出的所述流动材料的第一测定密度，
D2是按照第二质量流速(M2)测出的所述流动材料的第二测定密度。
13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于所述的经过修整的密度值是通过解以下的数学式确定的：
Dc＝Dm-K3(Mm)2在其中，Dc是经过校正的密度，Dm是测得的密度，K3是所述的流速校正常数，Mm是所述的测得的流速。
14.根据权利要求11所述的设备，其特征在于所述的用于产生测得的密度值的装置还包括：
用于根据所述测得的振动周期计算所述测得的密度值的装置(40)，在其中，所述测得的密度值与所述测得的振动周期的平方呈线性关系。
15.根据权利要求11所述的设备，其特征在于所述测得的密度值(Dm)是通过解以下的数学式确定的： D m = K 2 T m 2 ( 1 - t c t m ) - K 1 在其中，Dm是材料的测定密度(g/cm3)Tm是测定管周期(秒)K1等于K2Ta 2-DaK2等于d/(Tw 2-Ta 2)Dw是校正时水的密度(g/cm3)Da是校正时空气的密度(g/cm3)d是Dw-Da(g/cm3)tc是温度补偿因子((％变化按照T2 m/℃)/100)Ta是校正时不流动的空气的管周期，修正到0℃(秒)Tw是校正时不流动的水的管周期，修正到0℃(秒)tm是测得的温度(℃)。
16.根据权利要求11所述的设备，其特征在于所述的用于计算经过修整的密度值的装置包括：
用于从存储器(212)中读出(210，211，214)所述的流量计的流速作用因子的装置，在其中，所述的流速作用因子限定所测得的密度对于所述的流动材料的质量流速的灵敏度；
用于接受(190，203)一个温度值的装置，在其中，所述的温度值代表所述的流动材料的温度；
用于根据所述的温度值调节(210)所述的流速作用因子的装置；以及
用于将所述的经过温度调节的流速作用因子应用(210)于所测得的密度，以便于确定经过修正的密度的装置。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于所述的用于调节所述的流速作用因子的装置包括：
用于从第二个存储器(212)中读出(211，214)温度补偿因子的装置，在其中，所述的温度补偿因子限定所述的流速作用因子对于所述的流动材料的温度变化的灵敏度；以及
用于将所述的温度补偿因子应用(604)于所述的流速作用因子，以便于根据所述流动材料的温度变化的影响调节所述的流速作用因子的装置。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于所述的温度补偿因子是通过解以下的数学式确定的： K 4 = [ D k 4 / ( K 3 × M k 4 2 ) - 1 ] / ( t k 4 - t k 3 ) 在其中，
Dk4是在温度tk4和质量流速Mk4下的测得密度(Dm)的误差(g/cc)
K3是预先确定的校正常数
tk3是测定K3所使用的温度(℃)
tk4是测定K4所使用的温度(℃)
Mk4是测定K4所使用的质量流速(g/秒)
19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于用于将所述的经过温度调节的流速作用因子应用于所测得的密度和所测得的质量流速的装置包括解以下的数学式： D c = D m - K 3 [ 1 + K 4 ( t m - t K 3 ) ] ( M m ) 2
在其中，
Dm是所测得的密度(g/cc)
Dc是经过修正的密度(g/cc)
Mm是测得的质量流速(g/秒)
tm是测得的温度(℃)
tk3是校正K3时所处的温度(℃)
K3和K4如前面所定义的那样。
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