CN114787620A - 表征介质的气体负载的方法及其密度计 - Google Patents

Abstract

一种用于借助于在至少一个振动测量管中引导介质的测量传感器来表征介质的气体负载的方法(100)，该介质包括载有气体的液体，其中，该方法包括：基于测量管的至少两种不同的振动模式的固有频率来确定介质的声速值(130)和共振腔密度值(140)；确定在测量管中引导的介质的实测压力值(110)；基于共振腔密度值、声速值和实测压力值来确定介质中的悬浮气泡的气体体积含量(150)；基于介质的共振腔密度值和悬浮气泡的气体体积含量来确定游离气泡的气体体积含量的值(170)。

Description

表征介质的气体负载的方法及其密度计

技术领域

本发明涉及一种用于表征介质的气体负载的方法，该介质包括负载有气体的液体，并且涉及一种被配置成执行该方法的密度计。

背景技术

从公布的专利申请DE 10 2017 131 267 A1中已知基于共振腔效应和索罗金(Sorokine)等式来确定液体的气体负载。然而，以这种方式确定的气体负载有一些不足之处，因为一方面悬浮气泡和另一方面游离气泡出现在液体中并且对介质的参数——诸如其密度或流率——的测量具有不同影响。因此本发明的目的是提供一种方法和一种用于执行该方法的密度计，这使得能实现对介质的气体负载的更分化表征。

发明内容

根据本发明，该目的通过根据独立权利要求1的方法和根据独立权利要求13的密度计来实现。

根据本发明的方法用来借助于在至少一个振动测量管中引导介质的测量传感器来表征介质的气体负载，该介质包括负载有气体的液体，其中，该方法包括：

基于测量管的至少两种不同的振动模式的固有频率来确定介质的声速值和共振腔密度值；

确定在测量管中引导的介质的测量压力值和测量管的至少两种不同的振动模式的固有频率；

基于至少一个测量管的至少两种不同的振动模式的固有频率来确定介质的声速值和共振腔密度值；

将游离气泡的气体体积含量的值确定为介质的共振腔密度值和悬浮气泡的气体体积含量的函数。

在本发明的发展中，游离气泡的气体体积含量的值与介质密度的预期值和共振腔密度值的预期值之间的差成比例，介质密度的预期值基于液体的参考密度值和悬浮气泡的气体体积含量。

在本发明的发展中，为了确定游离气泡的气体体积含量的值，将所述差除以介质密度的预期值和校正因子的乘积，介质密度的预期值基于液体的参考密度值和悬浮气泡的气体体积含量，其中，校正因子不小于1且不大于4，并且特别不大于3。

在本发明的发展中，校正因子取决于液体中的游离气泡的预期移动性和/或斯托克斯数。

在本发明的发展中，校正因子具有值2。

在本发明的发展中，悬浮气泡的气体体积含量是基于索罗金等式而确定的。

在本发明的发展中，共振腔密度值是基于F1弯曲振动模式和F2弯曲振动模式或F3弯曲振动模式的固有频率而确定的。

在本发明的发展中，测量传感器具有至少两个不同的测量管，其中类似的弯曲振动模式具有不同的固有频率，其中，共振腔密度值是基于两个类似的弯曲振动模式、特别是不同的测量管的两种F1弯曲振动模式的不同的固有频率而确定的。

在本发明的发展中，介质的混合相密度值被确定为悬浮气泡的气体体积含量和游离气泡的气体体积含量的函数。

在本发明的发展中，该方法被至少部分地迭代地执行，其中，在第二次迭代中，使用所确定的混合相密度值代替共振腔密度值来确定悬浮气泡的气体体积含量。

在本发明的发展中，输出作为实测值提供的以下值中的至少一个：混合相密度值、游离气泡的气体体积含量、悬浮气泡的气体体积含量以及前述气体体积含量的和。

根据本发明的密度计包括：

测量传感器，该测量传感器具有能够被激发以振动并且用于引导可流动介质的至少一个测量管；

激发器，该激发器用于激发振动；

至少一个振动传感器，该至少一个振动传感器用于检测振动相关信号；以及

测量和操作电路，该测量和操作电路被配置成驱动激发器，检测振动相关信号，并且执行根据本发明的方法。

在本发明的发展中，至少一个测量管是能够被激发以相对于彼此振动的一对基本上相同的测量管中的测量管。

附图说明

现在基于各图中图示的示例性实施例更详细地描述本发明。如下所示：

图1：根据本发明的方法的示例性实施例的流程图；

图2a：使用根据本发明的方法获得的有关气体体积含量的测量数据；以及

图2b：根据现有技术和依照根据本发明的方法的相关密度确定。

具体实施方式

图1所示的根据本发明的用于表征负载有气体的液体的方法100的示例性实施例在步骤110中开始，其中确定科里奥利质量流量计的测量管对的f₁弯曲振动模式和f₃弯曲振动模式的固有频率，科里奥利质量流量计在这里特别被用作密度传感器。出于此目的，可以特别同时地激发f₁弯曲振动模式和f₃弯曲振动模式。通过经改变激发频率使振动幅度与模式特定激发功率的比率最大化，能够确定所寻找的固有频率。此外，检测在频率测量时可适用的实测压力值p。

基于所确定的固有频率fi，如下在步骤120中确定初步密度值ρ₁和ρ₃：

其中，c_0i、c_1i和c_2i是模式相关系数。

在下面更详细地说明的步骤130中，确定负载有气体的液体的声速和用于密度测量的模式特定共振腔校正项K_res-i。

随后，在步骤140中，使用声速c_res来确定负载有气体的液体的共振腔密度值ρ_res。

使用负载有气体的液体的当前实测压力值p、其声速c_res和共振腔密度值ρ_res，在步骤150中确定悬浮气泡的气体体积含量α_susp。

基于悬浮气泡的气体体积含量α_susp并且利用纯液相密度ρ_l的知识，能够在下一个步骤160中确定负载有气体的液体的密度的混合相密度中间值ρ_l-susp。

ρ_l-susp＝ρ_l*(1-α_susp) (ii)

基于混合相密度中间值ρ_l-susp与共振腔密度值ρ_res之间的差，能够如下在下一个步骤170中针对ρ_res<ρ_l-susp来计算游离气泡的气体体积含量α_free：

在这种情况下，k_gas是值介于1与3之间的校正因子，其取决于气体气泡的斯托克斯数，并且对于大多数情况用2很好地估计。

对于ρ_res>ρ_l-susp，以下适用：α_free＝0。

对于真实混合相密度值ρ_mix，因此在后续步骤180中获得下式：

ρ_mix＝ρ_l*(1-α_susp-α_free) (iv)

除了此混合相密度值之外，还能够输出单独的气体体积含量α_susp和α_free及其和作为总气体体积含量α_total的值。基于这些气体体积含量和流量变量，例如能够表征流动介质中的流动型态。

在上面说明与方法步骤相关的细节：

为了确定用于计算共振腔密度值ρ_res的共振腔校正项K_res-i，最初，如下计算初步密度值的比率V，即，例如，初步密度值ρ₁和ρ₃的除法：

V:＝ρ₁/ρ₃。

随后确定声速c_res的值，并且利用弯曲振动模式的实测固有频率f₁和f₃，在以下等式中产生初步密度值的观测比率V：

其中r是大约0.84，b＝1，并且g是声速c_res与共振频率之间的测量管相关比例因子，并且能够例如假定10/m的值。满足以上等式的声速c_res的值是负载有气体的液体的声速的寻找值。

基于所确定的声速值c_res，然后能够如下针对共振腔效应来计算模式特定校正项K_res-i：

能够在下一个步骤140中将共振腔密度值ρ_res计算为：

此外，根据索罗金，在负载有气体的液体的声速c_mix与另外的参数之间存在以下关系：

在这种情况下，α_s是气体体积含量(或气体空隙分数GVF)，c_g是纯气体的声速，c_l是纯液体的声速，γ是气体的绝热系数，p是负载有气体的液体的当前压力，并且ρ_l是纯液体的密度。

根据索罗金的混合物密度值ρ_S-mix通过下式经由气体体积含量α与液相密度ρ_l和气体密度链接：

ρ_S-mix＝ρ_l(1-α_s)+ρ_gα_s (ix)

由于液体密度明显大于气体密度，并且由于气体体积含量通常在个位数百分比范围内，所以以下近似值适用：

ρ_S-mix≈ρ_l(1-α_s) (x)

因此，可以将等式(viii)重写为：

通过忽视α中的平方项，获得下式：

通过针对α_s求解等式xii，找到用于计算根据索罗金的气体体积含量的表达式：

通过忽视具有对于高达几巴的压力值来说合理的(1/c_l)²和(1/c_g)²的项，获得相对准确度在较低的个位数百分比范围内的气体体积含量α的值：

如果在等式xiii或xiv中，混合声速c_S-mix用按等式v找到的声速c_res替换，并且根据索罗金的混合密度值ρ_S-mix用在等式vii中确定的共振腔密度值ρ_res替换，则根据索罗金的气体体积含量α_s对应于在等式ii和iv中使用的悬浮气泡的气体体积含量α_susp。

在第二次迭代中，代替共振腔密度值ρ_res，在第一次迭代中按等式iv找到的真实混合相密度值ρ_mix能够在等式xiii或xiv中被用于根据索罗金的混合密度值ρ_S-mix。如此找到的根据索罗金的气体体积含量α_s又被用作等式ii中悬浮气泡的气体体积含量α_susp以确定新的混合相密度中间值ρ_l-susp，其然后用在等式iii中以便确定游离气泡的气体体积含量的第二值。以这种方式迭代地确定的气体体积含量的值然后用在等式iv中以获得第二真实混合相密度值ρ_mix。必要时，能够继续此迭代直到满足收敛准则为止。然而，经验已表明一次迭代已经完全足够了。

图2a中的图示出使用根据本发明的方法收集的、已经将空气引入到其中的阿拉伯树胶的气体体积含量的测量数据。虚线示出悬浮气泡的气体体积含量α_s，然而实线图示游离气泡的气体体积含量α_free。取决于引入类型，各种气体体积含量显著地改变。根据本发明的方法能够区分两种类型的气体负载并且针对相应的气体体积含量生成准确的测量值。图2b中的图用虚线示出根据现有技术依照等式vii产生的共振腔密度值ρ_res，并且用实线示出根据本发明依照等式iv的混合相密度值ρ_mix。当给定不同类型的气体负载时，根据本发明的混合相密度的确定证明在密度的确定方面是优越的。

Claims (13)

1.一种用于借助于在至少一个振动测量管中引导介质的测量传感器来表征所述介质的气体负载的方法(100)，所述介质包括负载有气体的液体，其中，所述方法包括：

确定在所述测量管中引导的所述介质的测量压力值(110)和所述测量管的至少两种不同的振动模式的固有频率；

基于所述至少一个测量管的所述至少两种不同的振动模式的所述固有频率来确定所述介质的声速值(130)和共振腔密度值(140)；

基于所述共振腔密度值、所述声速值和所述测量压力值来确定所述介质中的悬浮气泡的气体体积含量(150)；

将游离气泡的气体体积含量的值(170)确定为所述介质的所述共振腔密度值和悬浮气泡的气体体积含量的函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述游离气泡的所述气体体积含量的所述值与所述介质密度的预期值和所述共振腔密度值的预期值之间的差成比例，所述介质密度的所述预期值基于所述液体的参考密度值和所述悬浮气泡的所述气体体积含量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，为了确定所述游离气泡的所述气体体积含量的所述值，将所述差除以所述介质密度的所述预期值和校正因子的乘积，所述介质密度的所述预期值基于所述液体的所述参考密度值和所述悬浮气泡的所述气体体积含量，其中，所述校正因子不小于1且不大于4，并且特别不大于3。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述校正因子取决于所述液体中的所述游离气泡的预期移动性和/或斯托克斯数。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述校正因子具有值2。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述悬浮气泡的所述气体体积含量是基于索罗金等式而确定的。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述共振腔密度值是基于F1弯曲振动模式和F2弯曲振动模式或F3弯曲振动模式的固有频率而确定的。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述测量传感器具有至少两个不同的测量管，其中类似的弯曲振动模式具有不同的固有频率，其中，所述共振腔密度值是基于两种类似的弯曲振动模式，特别是所述不同的测量管的两种F1弯曲振动模式的不同的固有频率而确定的。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述介质的混合相密度值被确定为所述悬浮气泡的体积含量和所述游离气泡的所述气体体积含量的函数。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法被至少部分地迭代地执行，其中，在第二次迭代中，使用所确定的混合相密度值代替所述共振腔密度值来确定所述悬浮气泡的所述气体体积含量。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，输出作为测量值提供的以下值中的至少一个：所述混合相密度值、所述游离气泡的所述气体体积含量、所述悬浮气泡的所述气体体积含量以及前述气体体积含量的和。

12.一种密度计，包括：

测量传感器，所述测量传感器具有能够被激发以振动并且用于引导可流动介质的至少一个测量管；

激发器，所述激发器用于激发所述振动；

至少一个振动传感器，所述至少一个振动传感器用于检测振动相关信号；以及

测量和操作电路，所述测量和操作电路被配置成驱动所述激发器，检测所述振动相关信号，并且执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。

13.根据权利要求12所述的密度计，其中，所述至少一个测量管是能够被激发以相对于彼此振动的一对基本上相同的测量管中的测量管。

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