CN114008414A - 用于确定带电液体的物理参数的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的方法(100)允许借助于传感器确定液体的物理参数的测量值，该传感器具有用于传导液体的至少一个测量管，其中能够激发所述测量管以至少一种挠曲振动模式振动，其中该方法包括以下步骤：确定挠曲振动模式(110)的振动参数的至少一个当前值；根据振动参数的当前值来确定物理参数(120)的测量值，其中，根据挠曲振动模式的固有频率的当前值以及根据测量管中传导的液体的声速，关于谐振器效应来补偿所述测量值，其中独立于所述测量管的振动而提供所述声速的值。

Description

用于确定带电液体的物理参数的方法

技术领域

本发明涉及一种借助于传感器确定液体的物理参数的方法，该传感器具有至少一个用于传导液体的测量管，其中测量管包括入口侧端部区段和出口侧端部区段，其中该传感器具有至少一个入口侧紧固设备和出口侧紧固设备，测量管分别通过所述入口侧紧固设备和出口侧紧固设备紧固在所述端部区段中的一个中，其中测量管能够被激发以在两个紧固设备之间振动，其中可以根据测量管的振动特性来确定液体的质量流率和密度。然而，质量流率的测量值和密度的测量值相对于液体的声速或可压缩性具有交叉敏感性。因此，期望补偿这些交叉敏感性。

背景技术

专利申请DE 10 2015 122 661 A1的首次公布公开了一种借助于传感器确定充气液体的密度或质量流率的方法，该传感器具有测量管，该测量管具有多个具有不同固有频率的挠曲振动模式。在具有两种挠曲振动模式的固有频率的基础上确定了初步密度值，假设充气液体相对于测量管的共振，能够实现声速的确定，以及然后是修正的密度和质量流量值的确定。

以上基于所谓的多频技术的方法提供了令人满意的结果，其中涉及充气液体的测量，其与纯液相相比具有显著降低的声速。当声速过高时，多频技术是不可行的。

随着测量精度要求的提高，即使在具有高声速介质的情况下，谐振器效应也变得更加重要；因此，在确定纯液体的测量值时也应考虑到这一点。本发明的目标是提供一种也针对这种介质来修正谐振器效应的影响的方法和测量设备。

发明内容

根据本发明，该目标通过根据独立权利要求1的方法和根据独立权利要求16的测量设备来实现。

根据本发明的方法是一种用于借助于传感器确定液体的物理参数的测量值的方法，该传感器具有用于传导液体的至少一个测量管，其中测量管在每种情况下都具有入口侧端部区段和出口侧端部区段，其中传感器具有至少一个入口侧紧固设备和出口侧紧固设备，测量管分别通过它们紧固在所述端部区段中的一个中，其中可以激发测量管以至少一种挠曲振动模式在两个紧固设备之间振动，其中该方法包括以下步骤：确定挠曲振动模式的振动参数的至少一个当前值；根据振动参数的当前值确定物理参数的测量值，其中根据挠曲振动模式的固有频率的当前值以及在测量管中传导的液体的声速，关于谐振器效应来补偿测量值，其中独立于测量管的振动提供了声速的值。

在本发明的改进方案中，振动参数包括挠曲振动模式的固有频率，其中物理参数包括在测量管中传导的液体的密度。

在本发明的改进方案中，振动参数包括在测量管的纵向方向上彼此偏移布置的两个振动传感器的信号之间的与质量流率成比例的时间延迟，其中物理参数包括在测量管中传导的液体的质量流率。

在本发明的改进方案中，由外部传感器，特别是由超声波传感器，提供液体的声速的当前测量值。

在本发明的改进方案中，将液体的声速的外部确定值存储在数据存储器中，并且从数据存储器中读出所述外部确定值以便计算物理参数。

在本发明的另一改进方案中，基于物理参数的计算中包括的设备参数是有效的这一假设，根据振动参数的当前值确定物理参数的测量值，其中特别是在考虑了谐振器效应的情况下确定设备参数。

在本发明的改进方案中，基于确定了在物理参数的计算中包括的设备参数而忽略谐振器效应的这一假设，根据振动参数的当前值确定物理参数的测量值，其中在确定设备参数时发生对谐振器效应的影响的修正。

流体的初步密度值ρ_i基于fi模式的固有频率f_i的关系被描述为：

其中，c_0i、c_1i和c_2i是设备参数，此处呈模式相关系数的形式。

然而，以上方法没有考虑谐振器效应的影响，即测量管中振动液体的影响。振动液体的共振频率越接近挠曲振动模式的固有频率，固有频率的影响就越强。液体的共振频率取决于其声速。在本发明的改进方案中，初步密度值的模式特定修正项K_i因此是液体声速与用以确定初步密度测量值的模式的固有频率的商的函数。

在本发明的改进方案中，初步密度值ρ_i的修正项K_i基于f_i模式的固有频率具有以下形式：

其中

其中，r和g是与介质无关的常数，f_i是f_i模式的固有频率，ρ_corr是经过修正的密度，而b是缩放常数，其中特别地：r/b<1，特别地r/b<0.9和/或b＝1。在以上等式中，g特别地是在液体的共振频率f_res与液体的声速之间的比例因子，并且是测量管直径的函数，其中以下适用：

f_res＝g·c

例如，对于DN 50或DN 100的双管测量设备，g的值约为21或8.5。

液体的声速c可以例如作为预定值存储在数据存储器中，可选地与温度修正一起存储在数据存储器中并且从中读出，或者它可以由外部传感器(例如超声波传感器)提供。

在本发明的改进方案中，以下适用于基于fi模式的固有频率的初步密度值的密度误差E_ρi：

E_ρi：＝K_i-1，

其中，初步质量流量值的质量流率误差E_m与基于挠曲振动模式f1的初步密度值的密度误差E_p1成比例，也就是说：

E_m：＝K·E_ρ1，

其中，比例因子k不小于1.5且不大于3。在本发明的当前优选实施例中，比例因子是k＝2。

以下适用于质量流率的修正项K_m：

K_m：＝1+E_m，

因此

其中，获得经过修正的质量流率

作为

其中，通过用两个振动传感器的信号之间的时间延迟Δt乘以校准因子calf来以已知的方式确定初步质量流量值的

如此处描述的质量流率修正项的确定也遵循多频技术中的程序，借此经由密度修正项来方便地估计质量流量修正项，因为无论如何都必须确定所述密度修正项以便确定液体的声速的值。然而，如果声速的值是从外部提供的，则也可以独立于密度修正项将质量流量修正项K_m估计为：

在这种情况下，a₁是常数，f_c是执行测量时的振动频率，r_t是一个或多个测量管的半径，并且c是所考虑的介质的声速。

以上关于修正项K_i和K_m的解释仅在确定设备参数c_ji时考虑了参考介质的谐振器效应的这一假设下有效。如果不是这种情况，则设备参数c_ji或calf将被确定得太低。

因此，根据本发明的改进方案，必须随后修正谐振器效应在确定设备参数中的影响。这可以理想地使用用于确定设备参数的介质的数据来完成。fi模式的对应初始密度修正项K_0，i将被定义为：

在这种情况下，c₀是用于确定用于测量所用介质密度的系数的介质声速，而f_0,i是fi模式的观察到的固有频率。

在这种情况下，将根据以下等式来计算经过修正的密度：

这同样适用于质量流量测量，对于质量流量测量，在确定校准因子calf时未能考虑谐振器效应随后将会被修正。

有两种替代方案可用于确定初始质量流量修正项K_0，m以及用于确定当前质量流量修正项K_m。

首先，基于初始密度修正项：

其中，c₀是用于确定用于测量所用介质密度的系数的介质声速，并且f_0,i表示fi模式的观察到的固有频率。

其次，基于确定校准因子calf的条件：

在这种情况下，a₁是常数，f_0,c是实施测量以确定校准因子calf时的振荡频率，r_t是一个或多个测量管的半径，并且c₀是用于确定校准因子的液体的声速。

则以下适用于经过修正的质量流率：

其中，K_m是当前质量流量修正项，K_0,m是两个初始质量流量修正项中的一个，并且

是初步质量流量测量值。

根据本发明的装置用于确定液体的物理参数的测量值，尤其是借助于根据本发明的方法，其中所述装置包括传感器，该传感器具有：用于传导液体的至少一个测量管，其中测量管在每种情况下都具有入口侧端部区段和出口侧端部区段，其中传感器具有至少一个入口侧紧固设备和一个出口侧紧固设备，测量管在每种情况下都通过它们紧固在所述端部区段中的一个中，其中能够激发测量管以至少一种挠曲振动模式在两个紧固设备之间振动，至少一个激发器，其用于以至少一种挠曲振动模式来激发振动，至少一个振动传感器，其用于检测至少一种挠曲振动模式中的振动，其中测量设备还包括操作和评估电路，所述操作和评估电路被配置成：驱动激发器；获取至少一个振动传感器的信号；基于传感器信号来确定挠曲振动模式的振动参数的至少一个当前值；并且根据振动参数的当前值确定物理参数的测量值，其中，操作和评估电路被配置成根据挠曲振动模式的固有频率的当前值以及测量管中传导的液体的声速，关于谐振器效应来补偿测量值，其中独立于测量管的振动而提供声速的值。

附图说明

现在将基于图中示出的示例性实施例更详细地描述本发明。在附图中：

图1是根据本发明的测量设备的示例性实施例的示意图；

图2a是根据本发明的密度测量方法的第一示例性实施例的流程图；

图2b是具有根据本发明的方法的第一示例性实施例的子步骤的流程图；

图3a是根据本发明的用于质量流量测量的方法的第二示例性实施例的流程图；并且

图3b是具有根据本发明的方法的第二示例性实施例的子步骤的流程图。

具体实施方式

图1中示出的根据本发明的测量设备1的示例性实施例包括振荡器10，该振荡器包括一对振荡测量管14，该振荡测量管平行延展并在入口端凸缘11与出口端凸缘12之间延伸，其中凸缘各自包括分流器或集流器，测量管14通向该分流器或集流器。分流器通过刚性外壳15彼此连接，使得在振荡器的有用弯曲振动模式的振荡频率范围内有效地抑制容纳测量管的分流器的振荡。测量管10刚性地连接到入口侧节点板20和出口侧节点板21，其中节点板限定了由两个测量管14形成的振荡器10的振荡节点，并且因此在很大程度上限定了有用挠曲振动模式的频率，除了密度依赖性之外。通过在两个测量管14之间作用的电动激发器17来激发振荡器10进行振荡，其中借助于捕获测量管14相对于彼此的相对移动的两个振荡传感器18、19来检测振荡。激发器17由操作和评估电路30操作，其中操作和评估电路还捕获和评估来自振荡传感器的信号，以便确定相对于谐振器效应而经过修正的密度或质量流量值。

现在将基于两种介质(即水和四氯化碳)的密度测量来更详细地解释谐振器效应的影响。

流体的基于fi模式的固有频率f_i的初步密度值ρ_i的关系被描述为：

其中，c_0i、c_1i和c_2i是特定于设备的模式相关系数。通常在测量设备的生产之后立即最初确定上述系数，其中挠曲振动模式的振动频率，特别是f1模式的振动频率，是针对已知密度的介质确定的。常压和20℃的空气以及20℃的水常常被用作介质。

表1示出了用于这些介质和四氯化碳的示例性测量设备的f1模式的观察到的频率。

介质	密度	f1	c	f0	f1表观密度	谐振器效应	密度误差
									[kg/m3]	[Hz]	[m/s]	[Hz]	[kg/m3]	[kg/m3]	[kg/m3]
20℃的空气	1.2	300	340	1994	1.22	0.02	0.00
								20℃的水	1000	250	1482	8689	1000.69	0.69	0.00
20℃的CCl<sub>4</sub>	1590	230.057	926	5429	1592.39	2.39	1.30

表1

表1还指示了介质在测量管上振动的密度、声速c和产生的谐振频率。在“f1表观密度”列中给出了表观密度值，该密度值是由于测量设备中的f1频率而产生的，如果谐振器效应在当前密度测量中被忽略，则初始确定系数时已考虑到所述测量设备中的谐振器效应。“谐振器效应”列中指定了谐振器效应对表观密度的贡献。

“密度误差”列概述了现有技术的情形，根据该情形，不仅在系数c_0i、c_1i和c_2i的初始确定中而且在密度测量中都忽略了谐振器效应。而是对系数进行选择，使得获得空气的1.2kg/m^3的目标密度和水的1000kg/m^3的目标密度。因此，这两种介质的测量误差为零，而四氯化碳的测量误差为1.3kg/m^3。

表2示出了用于确定在不考虑谐振器效应的情况下基于第一挠曲振动模式的固有频率而获得密度的系数c₀₁至c₂₁，其中，液体的基于fi模式的固有频率f_i的初步密度值ρ_i的关系在此处给出为：

就空气的密度值和水的密度值在校准期间被预先指定为参考密度而言，测得的表观密度或初步密度的值与这两种介质的密度的目标值相匹配。然而，对于四氯化碳，存在1.3kg/m^3的偏差。如果考虑了谐振器效应对初始校准的影响，并借助于初始密度修正项K_0i被用于后续修正，并且另外包括在借助于密度修正项K_i对当前密度测量的修正中，则将有可能确定正确的介质密度，如表2的最后一列中所指示的。

表2

基于f_i模式的固有频率的初步或表观密度值ρ_i的密度修正项K_i具有以下形式：

其中，r和g是与介质无关的常数，f_i是f_i模式的固有频率，ρ_corr是经过修正的密度，并且b是缩放常数，其中特别地：r/b<1，特别地r/b<0.9，和/或b＝1。在以上等式中，g是在液体的共振频率f_res与液体的声速之间的比例因子，其特别是测量管的直径的函数，其中以下适用：

f_res＝g·c

液体的声速c可以例如作为预先指定的值存储在数据存储器中，可选地与温度修正一起存储在数据存储器中并且从中读出。

fi模式的对应的初始密度修正项K_0，i将被确定为：

在这种情况下，c₀是用于确定用于测量所用介质密度的系数的介质声速，并且f_0,i是fi模式的观察到的固有频率。

在这种情况下，将根据以下等式计算后续修正的密度：

最后，表3示出了用于确定基于第一挠曲振动模式的考虑了谐振器效应的固有频率而获得的密度的系数c_{01_sos}至c_{21_sos}。

在这种情况下，在测量操作期间忽略谐振器效应会导致初步密度ρ_i出现相当大的误差。

介质	c01_sos	C11_sos	C21_sos	初步密度	经过修正的密度
										[kg/m3]	[kg/m3]
20℃的空气	-2270.3	2,06E+08	-87214.7	1.2232734	1.200
						20℃的水				1000.6934	1000.000
20℃的四氯化碳				1592.3937	1590.000

表3：

在这种情况下，将根据以下等式确定经过修正的密度ρ_corr：

其中，如先前给出的密度修正项Ki为：

经过修正的密度值与文献中的值之间的一致性非常好。

参考图2a和图2b中的流程图描述了根据本发明的方法的第一示例性实施例100，其中，示例性实施例100用于密度测量。

在第一步骤110中，如图2a所示，确定基本挠曲振动模式或f1模式的固有频率的当前值。

在第二步骤120中，将密度测量值确定为固有频率振动参数的当前值的函数。

第二步骤120包括图2b中示出的子步骤。

首先，在第一子步骤122中，基于固有频率f₁的当前值而确定初步密度测量值ρ₁。

在本示例性实施例使用的设备中，考虑谐振器效应而获得系数c_{01_sos}至c_{21_sos}。因此，在测量模式下，只需对当前测量中的谐振器效应进行修正。为此目的，在第二子步骤124中，例如从数据存储器中提供当前在测量管中传导的液体的声速值。

在第三子步骤126中，基于固有频率f1的值和液体的声速c而确定密度修正项K₁。

最后，在第四子步骤128中，通过用初步密度测量值ρ₁除以K₁来计算经过修正的密度测量值ρ_corr。

如果未在考虑谐振器效应的情况下确定系数c₀₁、c₁₁、c₂₁，则仍将需要乘以初始密度修正项K_0.1，以便随后补偿该误差。

参考图3a和图3b中示出的流程图描述根据本发明的方法的第二示例性实施例200，其中，示例性实施例200用于质量流量测量。

在第一步骤210中，如图3a所示，在测量管上的两个振动传感器的静止位置通道之间确定与质量流率成比例的时间延迟Δt的当前值。

在第二步骤220中，将质量流量测量值确定为时间延迟的当前值的函数。

第二步骤220包括图3b中示出的子步骤。

首先，在第一子步骤222中，基于时间延迟Δt的当前值，通过乘以校准因子calf来确定初步质量流量值

在该示例性实施例中使用的设备中，考虑谐振器效应而获得校准系数calf。

因此，在测量模式下，只需对当前测量中的谐振器效应进行修正。

为此目的，在第二子步骤224中，例如从数据存储器中提供当前在测量管中传导的液体的声速c的值。

在第三子步骤226中，根据以下等式基于发生流量测量的固有频率fc以及液体的声速c的值而确定质量流量修正项K_m：

其中，a₁是常数，而r_t是一个或多个测量管的半径。

最后，在第四子步骤228中，通过用初步质量流量值

除以K_m来计算经过修正的质量流量值

即：

如果未在考虑谐振器效应的情况下确定校准因子calf，则还将需要乘以初始质量流量修正项K_0,m，以便随后补偿该误差。

Claims (16)

1.一种用于借助于传感器确定液体的物理参数的测量值的方法，所述传感器具有用于传导所述液体的至少一个测量管，其中，能够激发所述测量管以至少一种挠曲振动模式振动，其中，所述方法包括以下步骤：

确定所述挠曲振动模式的振动参数的至少一个当前值；

根据所述振动参数的所述当前值确定所述物理参数的测量值，

其中，根据所述挠曲振动模式的固有频率的当前值以及所述测量管中传导的所述液体的声速，关于谐振器效应来补偿所述测量值，

其中，独立于所述测量管的所述振动而提供所述声速的值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物理参数包括在所述测量管中传导的所述液体的密度或质量流量值，其中，相关联的振动参数包括在所述测量管的纵向方向上彼此偏移布置的两个振动传感器的信号之间的与质量流率成比例的振动频率或时间延迟。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中

由外部传感器，特别是由超声波传感器，提供所述液体的所述声速的当前测量值，或者

将所述液体的所述声速的外部确定值存储在数据存储器中，从所述数据存储器中读出所述外部确定值以便计算所述物理参数。

4.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，初步密度值ρ_i的密度修正项K_i基于f_i模式的固有频率具有以下形式：

其中，r和g是与介质无关的常数，f_i是所述f_i模式的所述固有频率，并且b是缩放常数，其中特别地：r/b<1，特别地r/b<0.9和/或b＝1。在以上等式中，g特别地是在所述液体的共振频率f_res与所述液体的所述声速之间的比例因子，并且是所述测量管的直径的函数，其中以下适用：f_res＝g·c。

5.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，以下适用于基于所述fi模式的固有频率的初步密度值的密度误差E_ρi：

E_ρi：＝K_i-1，

其中，初步质量流量值的质量流率误差E_m与基于挠曲振动模式f1的初步密度值的密度误差E_p1成比例，也就是说：

E_m：＝K·E_ρ1，

其中，所述比例因子k不小于1.5且不大于3，在本发明的当前优选实施例中，所述比例因子是k＝2，

其中，将质量流量修正项K_m确定为：

K_m：＝1+E_m。

6.根据权利要求1至4中的任何一项所述的方法，其中，将质量流量修正项K_m估计为：

其中，a₁是常数，f_c是执行流率测量时的振动频率，r_t是一个或多个所述测量管的半径，而c是所述测量管中包含的所述液体的所述声速的值。

7.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，基于在考虑了所述谐振器效应的情况下确定所述物理参数的计算中包括设备参数的这一假设，根据所述振动参数的所述当前值确定所述物理参数的测量值。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，将经过修正的密度值ρ_corr确定为：

9.根据权利要求5或6所述的方法，其中，将经过修正的质量流量值ρ_corr确定为

其中，通过用两个振动传感器的所述信号之间的时间流量比例延迟Δt乘以校准因子calf来确定初步质量流量值

10.根据权利要求1至7中的任何一项所述的方法，其中，基于确定了在所述物理参数的所述计算中包括设备参数而忽略所述谐振器效应的这一假设，根据所述当前值确定所述物理参数的测量值，其中，在确定所述设备参数时对所述谐振器效应的影响进行修正。

11.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，所述fi模式的初始密度修正项K_0，i被确定为：

其中，c₀是用于确定用来测量所使用的介质的密度的系数的所述介质的声速，并且f_0,i表示所述fi模式的观察到的固有频率。

12.根据权利要求4和11所述的方法，其中，根据以下等式计算所述经过修正的密度：

13.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，根据以下等式计算初始质量流量修正项K_0，m：

其中，c₀是用于确定用来测量所使用的介质的密度的系数的所述介质的声速，并且f_0,i表示所述fi模式的观察到的固有频率。

14.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，根据以下等式计算初始质量流量修正项K_0，m：

其中，a₁是常数，f_0,c是实施所述测量以确定所述校准因子calf时的所述振荡频率，r_t是一个或多个所述测量管的半径，并且c₀是用于确定所述校准因子的所述液体的声速。

15.根据权利要求5或6以及根据权利要求13或14所述的方法，其中，根据以下等式来计算经过修正的质量流量测量值：

其中，K_m是当前质量流量修正项，K_0,m是初始质量流量修正项，并且

是初步质量流量测量值。

16.一种用于尤其是借助于根据前述权利要求中的任何一项所述的方法来确定液体的物理参数的测量值的测量设备，

其中，所述测量设备包括传感器，所述传感器具有：

用于传导所述液体的至少一个测量管，其中，所述测量管具有入口侧端部区段和出口侧端部区段，

至少一个入口侧紧固设备和出口侧紧固设备，所述测量管分别通过所述至少一个入口侧紧固设备和所述出口侧紧固设备紧固在所述端部区段中的一个，其中，能够激发所述测量管以至少一种挠曲振动模式在所述两个紧固设备之间振动，

至少一个激发器，用于以至少一种挠曲振动模式来激发所述测量管的振动，

至少一个振动传感器，用于检测至少一种挠曲振动模式下的振动；以及

其中，所述测量设备还包括操作和评估电路，所述操作和评估电路被配置成：

驱动所述激发器；

捕获所述至少一个振动传感器的信号；

基于所述传感器信号来确定所述挠曲振动模式的振动参数的至少一个当前值；以及

根据所述振动参数的所述当前值确定所述物理参数的测量值，

其中，操作和评估电路被配置成根据所述挠曲振动模式的固有频率的当前值和所述测量管中传导的所述液体的声速，关于谐振器效应来补偿所述测量值，其中，独立于所述测量管的振动而提供所述声速的值。

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