CN111936828B - 使用已知密度补偿质量流量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于确定质量流量测量的方法。该方法包括在第一温度下校准流量计传感器并且使具有第二温度的流体流过流量计传感器。将流体的密度输入到仪表电子设备中。由仪表电子设备确定流体的补偿质量流量值，其中，流量计传感器的弹性模量是未知的。
Description
技术领域
以下描述的实施方式涉及补偿方法，以及更具体地，涉及使用已知的流体密度和驱动频率来针对温度补偿科里奥利传感器的质量流量测量的方法。
背景技术
科里奥利仪表被设计成在各种各样的过程流体和环境条件下提供流过管线的流体的质量流率和密度二者的准确的测量。在许多应用中，科里奥利流量计被用作其他流量测量设备校准的参考。自然地，这需要高度的准确性。
例如，一个这样的应用是用于火箭发动机测试。在此应用中，需要校准用于测量进入火箭试验台的液态氢和氧流量的文丘里流量计。对于这样的应用，在过程条件下对参考传感器的精度要求很高，在某些应用中需要0.35％的精度。
当前，包括LNG、液态氩气、氮气和氧气的低温应用中的传感器使用常规的温度校正显示出最高为1％的质量测量精度。
可以理解的是，质量流率与科里奥利传感器的流量测量信号之间的关系高度依赖于一个或多个振动管的刚度。还应理解，温度可通过三种不同的机制影响科里奥利流量传感器的一个或多个管的刚度。
第一机制是弹性模量随温度的变化。如公式1所示，这种效应已在多年前被识别出，并且开发了线性温度补偿。
其中：
FCF＝流量校准因子(单位：g/s每μs)
Δt＝基本科里奥利时间测量
zero＝在无流量条件下的Δt
φ＝用于改变弹性模量的温度系数
ΔT＝温差(℃)。
在大多数科里奥利传感器的应用范围内，弹性模量随温度的变化接近线性，因此这种校正在大多数应用中效果很好。在科里奥利传感器首次应用于低温应用时，认识到模量在0℃以下是非线性的；如图2所示。针对低至-233℃的低温和低温应用开发了校正，如公式2所示：
其中每个φ项是表征非线性模量特性尤其是在低温下的多项式系数。这在图3中示出。应注意的是，当φ2和φ3的值均为0时，公式2变为公式1。
影响管刚度的第二机制是材料随温度变化而扩张。如果管不受约束，则其长度、横截面和内部体积都会发生变化，从而实际上改变了刚度。
凭经验观察到，密度测量中使用的管周期平方的温度校正与流量校准因子FCF的温度校正不同。确定的是这是由于热膨胀引起的。开发了质量流量和密度方程的一般形式，将U型管科里奥利传感器理想化为悬臂梁。考虑了这种机制的流量与密度测量的关系，分别在公式3和4中给出。
其中：
α＝热膨胀系数
f(φ)＝公式2中表示的多项式。
其中：
K2＝周期平方
C1和C2＝校准常数
f(φ)＝公式2中表示的多项式。
影响管刚度的第三机制是热诱导应力。如果一个或多个管不能随温度变化而自由移动，则热应变将通过机械恢复应变来抵消。对于直管或低轮廓科里奥利传感器该效果是显著的。对于其他传感器几何形状，此机制基本上可以被忽略。
发明内容
根据实施方式提供了一种用于确定质量流量测量的方法。在第一温度下校准流量计传感器。使具有不同于第一温度的第二温度的流体流过流量计传感器。将流体的密度输入到流量计电子设备中。使用仪表电子设备确定流体的补偿质量流量值，其中，流量计传感器的弹性模量是未知的。
提供了一种包括仪表电子设备的流量计，该流量计被配置为接收具有第二温度的过程流体，该仪表电子设备被配置为与流量计的传感器组件通信。至少一个流量导管被配置为接收过程流体。至少一个驱动器被配置成使至少一个流量导管振动。提供了用于检测至少一个流量导管的振动的至少一个拾取传感器，其中，流量计在第一温度下被校准。流体的密度被输入到仪表电子设备中，并且仪表电子设备被配置为确定流体的补偿质量流量值，其中，至少一个流量导管的弹性模量是未知的。
各个方面
根据一个方面，一种用于确定质量流量测量的方法包括在第一温度下校准流量计传感器。使具有不同于第一温度的第二温度的流体流过流量计传感器。将流体的密度输入到流量计电子设备中。使用仪表电子设备来确定流体的补偿质量流量值，其中，流量计传感器的弹性模量是未知的。
优选地，密度是已知参考值。
优选地，根据状态方程来计算密度。
优选地，状态方程包括压力项和温度项。
优选地，补偿的质量流率计算为：
优选地，补偿质量流量值的精度为±0.5％。
优选地，第一温度是非低温温度，第二温度是低温温度。
根据一个方面，包括仪表电子设备的流量计被配置成接收具有第二温度的过程流体，其中，仪表电子设备被配置成与流量计的传感器组件通信。至少一个流量导管被配置成接收过程流体。至少一个驱动器被配置成使至少一个流量导管振动。提供了用于检测至少一个流量导管的振动的至少一个拾取传感器，其中，流量计在第一温度下被校准。流体的密度被输入到仪表电子设备中，并且仪表电子设备被配置为确定流体的补偿质量流量值，其中，至少一个流量导管的弹性模量是未知的。
优选地，密度是已知参考值。
优选地，根据状态方程来计算密度。
优选地，状态方程包括压力项和温度项。
优选地，补偿的质量流率计算为：
优选地，补偿的质量流量值的精度为±0.5％。
优选地，第一温度是非低温温度，第二温度是低温温度。
附图说明
在所有附图上，相同的附图标记表示相同的元件。应当理解，附图不一定是按比例的。
图1示出了包括传感器组件和仪表电子设备的流量计；
图2示出了详细描述316不锈钢随温度的模量变化的图。
图3示出了详细描述低温温度下的316不锈钢弹性模量的图。
图4示出了详细描述低温温度下的316不锈钢热膨胀的图。
图5示出了根据实施方式的确定质量流量的方法。
具体实施方式
图1至图5以及以下描述描绘了具体的示例，以教导本领域技术人员如何制作和使用实施方式的最佳模式。出于教导发明原理的目的，一些常规的方面已经被简化或省略。本领域技术人员将理解落入本说明书范围内的来自这些示例的变型。本领域技术人员将理解，以下描述的特征可以以各种方式组合以形成补偿方法的多种变型。因此，以下描述的实施方式不限于下面描述的具体的示例。此外，出于示例目的，附图可以描述具体的金属、合金和/或流体。所提供的实施方式不限于所公开的具体的金属、合金和/或流体，因为可以考虑不同的金属、合金和/或流体。
图1示出了根据一个实施方式的流量计5。流量计5包括传感器组件10和仪表电子设备20。仪表电子设备20经由引线100连接至传感器组件10，并且被配置成通过通信路径26提供对以下各者中的一个或更多个的测量：密度、质量流率、体积流率、总计质量流量、温度或者其他测量或信息。流量计5可以包括科里奥利质量流量计或其他振动流量计。对于本领域技术人员来说应当是明显的是，流量计5可以包括任何形式的流量计5，而与振动的操作模式或拾取传感器、流量导管、驱动器的数量无关。
传感器组件10包括一对凸缘101和101'、歧管102和102'、驱动器104、拾取传感器105和105'以及流量导管103A和103B。驱动器104以及拾取传感器105和105'连接至流量导管103A和103B。
凸缘101和101'被附接到歧管102和102'。在一些实施方式中，可以将歧管102和102'附接至间隔件106的相对端。间隔件106保持歧管102和102'之间的间隔。在将传感器组件10插入至运送被测量的过程流体的管线(未示出)中时，过程流体通过凸缘101进入传感器组件10，穿过入口歧管102，在入口歧管102处，过程流体的总量被引导进入流量导管103A和103B，流过流量导管103A和103B并且返回至出口歧管102'，在出口歧管102'处，过程流体通过凸缘101'离开传感器组件10。
过程流体可以包括液体。过程流体可以包括气体。过程流体可以例如而非限制地包括多相流体，例如包括夹带气体和/或夹带固体的液体。选择流量导管103A和103B并将其适当地安装至入口歧管102和出口歧管102'，以便分别地绕弯曲轴W-W和W'-W'具有基本相同的质量分布、惯性矩以及弹性模量。流量导管103A和103B以基本平行的方式从歧管102和102'向外延伸。
流量导管103A和103B由驱动器104在绕各自的弯曲轴W和W'的相反方向上并且在流量计5的所谓的第一异相弯曲模式下驱动。驱动器104可以包括许多公知的布置(如安装至流量导管103A的磁体和安装至流量导管103B的相对线圈)中的一种。交变电流通过相对线圈以使两个导管振荡。合适的驱动信号由仪表电子设备20经由引线110施加至驱动器104。其他驱动装置是预期的并且在说明书和权利要求的范围内。
仪表电子设备20分别在引线111和111'上接收传感器信号。仪表电子设备20在引线110上产生驱动信号，该驱动信号使驱动器104振荡流量导管103A和103B。其他传感器装置是预期的并且在说明书和权利要求的范围内。
仪表电子设备20处理来自拾取传感器105和105'的左速度信号和右速度信号以计算流速等。通信路径26提供输入和输出装置，其允许仪表电子设备20与操作者或与其他电子系统接口。图1的描述仅作为流量计的操作的示例而提供，并且不旨在限制本发明的教导。在实施方式中，具有一个或更多个驱动器和拾取传感器的单管流量计和多管流量计是预期的。
在一个实施方式中，仪表电子设备20被配置成使流量导管103A和103B振动。振动由驱动器104执行。仪表电子设备20还从拾取传感器105和105'接收所得到的振动信号。振动信号包括流量导管103A和103B的振动响应。仪表电子设备20处理振动响应并确定响应频率和/或相位差。仪表电子设备20处理振动响应并确定一个或更多个流量测量，包括过程流体的质量流率和/或密度。其他振动响应特性和/或流量测量是预期的并且在说明书和权利要求的范围内。
在一个实施方式中，如图所示，流量导管103A和103B包括基本上Ω形的流量导管。替选地，在其他实施例中，流量计可以包括基本上直的流量导管，U形导管，三角形导管等。可以使用另外的流量计形状和/或配置，并且在说明书和权利要求的范围内。
从图3可以看出，在标准压力下液态氢温度为20°K时，316不锈钢的弹性模量不是线性的。还可以看出，如果模量的变化仅对Δt有影响，则在任何流率下，相对于0℃(273.15°K)的差，在从20至50°K的范围内将在6％至6.8％变化。这还假设实际传感器的材料特性与针对该合金的可用数据表现类似。
根据实施方式，提供了一种在接近应用的温度下使用已知或假定的密度来确定模量随温度变化的方法。该实施方式还假设热膨胀系数是常量。从图4中可以看出，假设会略微引入更多的误差。同样，必须注意的是，提供316不锈钢仅出于示例目的，在不同的金属/合金中也存在类似的趋势。
在实施方式中，通过消除在低温温度下弹性模量校正和校准流量的相关问题，使低温质量流量测量的总不确定性最小化。使用对于单组分流体例如液态氢或天然气众所周知的流体密度状态方程，可以实现精确的质量流量计算，而没有上述指出的问题。
与现有的补偿方法不同，该方法消除了质量流量方程对弹性模量根据温度的变化的依赖性。在实施方式中，提供了独立于模量随温度的变化的质量流率测量方程。如公式5所示。
流体密度ρf既可以作为已知量输入或者也可以在类似商业纯氢的已知流体的情况下，从使用压力和温度输入的状态方程计算。温度和压力可以简单地输入到仪表中，或者可以通过温度和压力传感器中的至少一个来测量。对于以这种方式操作的双管U型管科里奥利传感器，在测量类似液态氢的纯低温流体时，期望±0.5％的流量精度是合理的。
参照图5，提供了概述确定质量流量测量的实施方式的步骤的流程图。在步骤500中，在第一温度下校准流量计。尽管在第一温度下被特别地校准过，在步骤502中，具有第二不同温度的流体流过流量计传感器10。在步骤504中，将流体的密度提供给流量计电子设备20。在步骤506中，通过仪表电子设备20确定流体的补偿质量流量值。在这种情况下，流量计传感器的弹性模量仍然未知且未被流量计电子设备使用，这严重背离现有技术。这由公式5示出。因此，对于本领域技术人员将清楚的是，温度测量对于精确的流率测量也不是关键的。实际上，温度造成的流量误差可能低至0.0006％，因此与诸如流体密度、压力、校准常数以及其他不确定性相关的因素相比，可以忽略不计。
在实施方式中，第一温度(即，流量计被校准的温度)是非低温的。这通常对应于制造设施的典型的温度范围，即，大约是“室温”。然而，流动流体是低温的，因此温度在约-100℃至-273℃之间。这样做的一个好处是降低了成本，并减少了校准期间低温流体处理的难度。由于上述提及的原因，在标准室温下校准的流量计对于低温流体将仍然是准确的——这也背离现有技术。这通过表1示出，表1仅作为示例提供，绝不是限制性的。表1中的值仅是对一种特定的流量计模型的说明，并不用于限制实施方式。
不确定性计算：
影响质量流量测量的变量
由于任何单个变量x而引起的质量流量测量的不确定性
由于所有变量而引起的质量流量测量的总不确定性
估计的质量流量测量误差
由于来自校准的温度变化ΔT的不确定性而引起的不确定性和流量误差的部分
由于热膨胀系数α的不确定性而引起的不确定性和流量误差的部分
由于流体密度ρf的不确定性而引起的不确定性和流量误差的部分
由于管周期K的不确定性而引起的不确定性和流量误差的部分
表1给出了C2为1943kg/m3的科里奥利流量计的总体估计的流量误差不确定性。
| 质量流量变量 | 标称值x | 偏差dx | 流量误差贡献 |
| Δt、zero以及其他校准常量 | - | - | 0.10％ |
| 压力和其他流作用 | - | - | 0.10％ |
| 温度测量℃ | -253 | 5 | 0.0006％ |
| CTE估计℃-1 | 11.1×10-6 | 5.0×10-6 | 0.01％ |
| 流体密度kg/m3 | 71.2 | 4 | 0.20％ |
| 管周期μsec | 10,691 | 1 | 0.02％ |
| 总流量测量不确定性 | ±0.24％ |
表1
以上实施方式的详细描述不是发明人预期的本说明书范围内的所有实施方式的穷举性描述。实际上，本领域技术人员将认识到，可以将上述实施方式的某些元件进行各种组合或去除以产生其他的实施方式，并且这些其他实施方式在本说明书的范围和教导内。对于本领域的普通技术人员明显的是，上述实施例可以全部或部分地组合以产生在本说明书的范围和教导内的另外的实施方式。
因此，尽管在本文中出于说明性目的描述了具体的实施方式，但如本领域技术人员将认识到的，在本说明书的范围内的各种等效变型是可能的。本文中提供的教导可以应用于燃料和水混合物的其他燃料消耗的计算而不仅仅是上述和附图所示的实施方式。
Claims (12)
1.一种确定质量流率测量的方法，包括：
在第一温度下校准流量计传感器；
使具有不同于所述第一温度的第二温度的流体流过所述流量计传感器；
将所述流体的密度输入流量计电子设备中；
使用所述流量计电子设备来确定所述流体的补偿质量流率值，其中所述流量计传感器的至少一个流量导管的弹性模量是未知的，并且其中所述补偿消除了质量流率对弹性模量根据温度的变化的依赖性，
其中，补偿的质量流率被计算为：
其中：
FCF＝流量校准因子，单位为g/s每μs，
Δt＝基本科里奥利时间测量，
zero＝在无流量条件下的Δt，
ρf＝流体密度，
α＝热膨胀系数，
ΔT＝温差，
C1和C2＝校准常数，
K2＝周期平方。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述密度是已知参考值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述密度是根据状态方程来计算的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述状态方程包括压力项和温度项。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述补偿质量流率值的精度为±0.5％。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度是非低温温度，并且所述第二温度是低温温度。
7.一种包括仪表电子设备(20)的流量计(5)，被配置成接收具有第二温度的过程流体，所述仪表电子设备(20)被配置成与所述流量计(5)的传感器组件(10)通信，其中，所述流量计(5)包括：
至少一个流量导管(103A，103B)，被配置成接收所述过程流体；
至少一个驱动器(104)，被配置成使所述至少一个流量导管(103A，103B)振动；
以及至少一个拾取传感器(105、105’)，用于检测所述至少一个流动量导管(103A，103B)的振动；
其中，所述流量计在第一温度下被校准；
其中，所述流体的密度被输入到所述仪表电子设备(20)中；以及
其中，所述仪表电子设备(20)被配置为确定所述流体的补偿质量流率值，其中所述至少一个流量导管(103A，103B)的弹性模量是未知的，并且其中所述补偿消除了质量流率对弹性模量根据温度的变化的依赖性，
其中，补偿的质量流率被计算为：
其中：
FCF＝流量校准因子，单位为g/s每μs，
Δt＝基本科里奥利时间测量，
zero＝在无流量条件下的Δt，
ρf＝流体密度，
α＝热膨胀系数，
ΔT＝温差，
C1和C2＝校准常数，
K2＝周期平方。
8.根据权利要求7所述的流量计(5)，其中，所述密度是已知参考值。
9.根据权利要求7所述的流量计(5)，其中，所述密度是根据状态方程来计算的。
10.根据权利要求9所述的流量计(5)，其中，所述状态方程包括压力项和温度项。
11.根据权利要求7所述的流量计(5)，其中，所述补偿质量流率值的精度为±0.5％。
12.根据权利要求7所述的流量计(5)，其中，所述第一温度是非低温温度，并且所述第二温度是低温温度。
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