CN1163736C - 使用并联科里奥利质量流量计的科里奥利粘度计 - Google Patents

Abstract

一对具有不相等载流能力的流量计有效地并联连接以接收物质流动。流过流量计的物质流产生输出信号，传输到相应的流量计电路中，该电路获得各个流量计的质量流率和其它信息。该流量计电路是利用有关各个流量计的物理参数预先编程的。流量计电路利用预先编程的信息和所获得的各个流量计的物质流速和其它信息确定在流量计中流动物质的粘滞度。

Description

使用并联科里奥利质量流量计的科里奥利粘度计

                         发明领域

本发明涉及一种粘度计，这种粘度计使用并联的科里奥利质量流量计获得物质流的粘滞度。

                           问题

在现实中常常需要确定在管道或导管中流动的物质的粘滞度。之所以需要这样做，是因为在许多生产过程中，需要使流动的物质保持特定的粘滞度。例如，在使用管道系统加工食品如糖浆或工业品如电动机润滑油的生产过程中，要求在管道中流动的物质所具有的粘滞度能够增强其被客户使用的适用性。在其它应用中，必须使流动物质保持特定的粘滞度，以使生产过程的下一个步骤能够以规定的方式完成。另一种需要知道粘滞度的场合是使用分流式流量计测量大管道中的流率。流量计与大管道之间的流量比值是粘滞度的函数。所以，不间断地了解粘滞度能够使分流式流量计以更高的精度测量流率。

获知粘滞度的一种通用方法是人工测量，按照这种方法，需要采集流动物质的样品并进行分析以确定其粘滞度。这种分批采样的方法不是很理想，因为它需要人员的劳动并且耗费时间。这种方法的不足之处还在于当获取流动物质采样和进行分析时常常需要中断生产过程。此外，在不同的采样之间，粘滞度可能变化很大，而无法察觉。

测量粘滞度的另一种方法是使用购买的粘度计。这些仪器非常昂贵，它们一般利用插入流体管道中的振动或转动部件测定粘滞度。虽然它们可以进行连续测量，但是由于它们价格昂贵，振动部件易碎裂，所以也不是理想的方式。

振动管科里奥利流量计由于能够测量质量流量、体积流量、密度、和温度而成为众所周知的测量仪器。许多科里奥利流量计的使用者需要调配各种成分以达到在流量计中流动物质所需的粘滞度。也能够测量粘滞度的科里奥利质量流量计与需要人工参与和实验室采样的离散的分批方式相比可取之处在于它能够连续地测定粘滞度。这种能够测量粘滞度的科里奥利流量计还没有单独的粘度计的昂贵和易碎裂性。粘滞度测量科里奥利流量计还可以以分流方式操作，以测定在一根大管道中流动物质的流率和粘滞度。知道管道中物质的粘滞度使得可以通过补偿物质粘滞度的变化获得更加精确的质量流量输出信息。

授予Kalotay等人的美国专利US-5,359,881试图通过为科里奥利流量计配备可测定流量计出入口之间压力降的一个内置压力差传感器来解决分批采样方法和现有的粘度计存在的问题。根据这种压力降信息，可以获得流动物质的粘滞度。Kalotay等人发明的科里奥利流量计在许多应用中能够令人满意地工作。但是，Kalotay等人的科里奥利质量流量计的结构必须必须能够安置压力差传感器。这样增加了它的成本和复杂性。而且，Kalotay等人的装置在某些应用中不是很理想。由于必须安置压力差传感器造成的机械上的复杂性，使得这种装置无法达到某些工业生产过程例如食品加工和制药或在流量计可能用于在不同时间为不同物质的应用中所要求的洁净程度。

可以看出，在利用不耗费时间和不需要使用专用的、昂贵的、或易碎裂装置的方法来测量在一根管道中流动的物质的粘滞度方法尚存在问题。此外，在某些应用中以足够卫生的方式连续地测量粘滞度方法也存在着问题。最后，使用分流式结构，而不连续地获得粘滞度以补偿粘滞度对于流量计灵敏度的影响，是难以精确地测量流率的。

                         解决方案

本发明解决了上述问题，通过提供使用一对并联的科里奥利质量流量计来测定物质粘滞度的一种方法和装置而实现了本领域的进步。本发明的方法和装置通过测定在具有不同的物质流动阻力的两个并联的科里奥利质量流量计中的流速来确定粘滞度。这两个流量计这样连接，使得其物质入口压力彼此相等，出口压力也彼此相等。每个流量计产生表示在其中流动物质的质量流量、密度、和温度的信息。这种信息传输到一个相应电子仪器的微处理器中，该微处理器求得两个流量计中的物质流速，并根据流速以及密度和流率，计算出在流量计流动和通过与流量计相连管道中物质的粘滞度。由于在两个并联的、流阻不同的通道中流动物质的流速比值为粘滞度、流率、和密度的函数，所以能够计算粘滞度。(如果两个通道中的流阻相等，则其流速总是相等的，该装置也对粘滞度不敏感。)标准的科里奥利流量计测定流率和密度，然后利用已知的管路直径，能够计算出物质流速。利用具有不同流阻的两个科里奥利流量计可以给出物质流速，这个量值是计算物质粘滞度所需的最后一个信息。

在本领域已知利用科里奥利效应质量流量计测量质量流量和在一根导管或管道中流动物质的其它信息。这种流量计公开了授予J.E.Smith等人的美国专利US-4,109,524(1978年8月29日)、US-4,491,025(1985年1月1日)和Re.31450(1982年2月11日)中。这些流量计具有一根或多根直线形或弯曲形的流管。每种流管结构具有一组固有振动模式，它们可以是简单的弯曲型、扭转型或耦合型。每种流管在驱动下以与这些固有模式之一谐振的方式振荡。振动管的固有振动模式部分地由流管和在流管中流动物质的组合质量限定也是众所周知的。所以，可以利用谐振频率确定流管中物质的密度。

从一根相连的管道中在流量计入口侧流入流量计中的物质流过流管，然后从流量计的出口侧流出。如果没有物质流动，则流管上所有点都由于所施加的驱动力的作用以相同的相位振荡。当有物质流动时，科里奥利加速度使得流管上的各个点具有不同的相位。流管入口侧的相位滞后于驱动器，而出口侧的相位则超前于驱动器。在流管上设置有传感器，以产生表示流管速度的的正弦波输出信号。两个传感器信号之间的相位差正比于通过流管的物质的质量流率。

与在科里奥利质量流量计中流动物质特征相关的信息必须以高精度获得，因为常常要求所获得的流率信息的精度至少为读数的0.15％。这些流量计输出信号是正弦波形的，其时间或相位的偏差量由物质流过的流量计所产生的科里奥利力决定。接收这些传感器输出信号的信号处理电路精确地测量这个时间差，并以所需的至少为读数的0.15％的精度生成流动物质的所需特征信息。

FR-A-1474354记载了一种用于测量流体粘滞度的装置和方法。流体通过两根具有不同尺寸的毛细管泵入，在毛细管入口处设置有压力测量装置。对于使两根管的尺寸不同有多种变型(参见第2页，左侧栏，第三段整段)。在权利要求3所述的一种变型中，两根管具有不同的直径。如在第3页，左侧栏，第二段末尾所讨论的，还测量毛细管中的流速，并利用公式3、4计算粘滞度。

WO-95/16897记载了一种科里奥利流量计，它包括一个直流管。它同时以两种振动模式振动，以获得信号，经过处理这些信号可以获得许多测量值，包括质量流率、密度和粘滞度(参见第49页，第三段整段)。

US-A-2948145记载了用于测量流动产品的稠度的各种装置。在图6所示装置中(还参见第3-4栏)，利用一个恒定体积泵84向两个具有不同长度和直径的毛细管提供产品，利用流量计81测量流过两根毛细管的流量差。这些毛细管的尺寸是这样设计的，对于牛顿流体，流过两根管的流量是相同的(如在第2栏，第42-70行所讨论的，这些管的粘滞阻力是相同的)，而对于非牛顿流体，则存在可以检测到的流量差。其变化指示稠度。

由Paul Kalotay博士提出的“利用科里奥利质量流量计进行在线粘滞度测量”(8131 Advances in Instrumentation and Control46(1991)Part2，Research Triangle Park，NC，US)记载了利用科里奥利流量计测量粘滞度的技术，其中利用压力差测量系统在实际的科里奥利流量计测量管的上游和下游分压(图3)。其中讨论了相对于牛顿流体和非牛顿流体的结果。

US-A-5359881记载了一种科里奥利流量计，其利用安装在或连接在与由流量计构成的一对科里奥利测量管相连的管道中的压力差传感器进行测量。

根据本发明的第一实施例，在物质供应管道与物质接收管道之间以全流方式将一对科里奥利质量流量计彼此并联连接。这两个流量计，包括它们的材料入口和出口，对于物质流动具有不同的阻力。这可以由于流动路径具有不同的横截面面积、长度或两者均不同而形成。不同的流阻还可以由于在其中一个流量计中采用的节流板产生的局部限制而形成的。这两个流量计的物质入口与物质供应管道相连，两个流量计的物质出口与物质接收管道相连。在工作时，这两个流量计产生表示各个流量计中物质流的质量流率、温度、和密度的输出信号。来自各个流量计的输出信息被传输到相应的电子装置中，该装置处理所接收的信息，并计算出各个流量计中的物质流速。然后将一个流量计的流速数据从一个流量计电路中传送到另一个中，利用电子装置中的一个微处理器计算物质粘滞度。在该第一实施例中，两个流量计由在物理上分开的、并联连接在供应管道和接收管道之间的流量计构成。它们还具有物理上分开的电路部分，它们之间的连接仅仅用于传送流速数据。

在本发明的一个第二实施例中，提供了一体化装置，该装置包括功能上等效的一对并联的科里奥利质量流量计。但是，在这个实施例中，两个流量计的许多冗余部件被组合为一个。例如，如图所述它们不使用独立的外壳、管线、驱动器、温度测量装置、和电子装置，而是组合成具有两根流管的一个细长部件，以减少成本。这些流管可以是具有相等长度、直径、刚度和质量，但是具有不同物质流阻的两根流管。每根流管具有其自己的一对独立的速度传感器。来自各个速度传感器的信号之间的时间延迟决定了质量流率。在每根流管上设置的独立速度传感器能够独立地测定质量流率和速度。

为了确定粘滞度，两个平行的流动路径具有不同的流阻。这是通过限制入口管和其中一个流管之间的流动通道，和/或限制出口与同一流管之间的流动通道而实现的。因此，第二实施例，与第一实施例一样，包括两个两条具有不同流阻的平行流动通道，以及用于确定各个通道中流动物质的密度和质量流率的装置。第二实施例还包括用于计算密度、物质流速、和物质粘滞度的电子装置。第二实施例与第一实施例的不同之处在于它由一个单一结构构成，该结构能够独立地测量两根流管中每一根中的流率。两根流管中每一根都与一根独立的直管科里奥利质量流量计等效。与第一实施例一样，这两个流动路径具有不同的流阻。

根据本发明的第三实施例，一对分别具有不同流阻的物理上分开的科里奥利质量流量计与包含物质流动的一根导管有效地并联连接。这种结构被称为分流式流量计结构，利用这种结构仅仅直接测量一部分流动特性，并推导出整个流动的特性。分流式流量计的使用者通常假定通过流量计的流动与通过主管道的流动之间的比值是恒定的。不过，这个比值与密度、粘滞度和流体流率有关。

在该第三实施例中，流量计的物质入口与管道的内部相连，使每个流量计的物质入口的开口方向朝向物质流动的上游。每个流量计的物质出口与管道中的下游相连，使物质出口的开口端沿管道延伸，并与管道的内表面齐平。该下游管段包括设置在该管道内部的一个文丘里结构。文丘里结构在接近出口的管道部分产生一个低压区，进而增大了两个流量计入口与出口之间的压力降。这样增大了各个流量计中的物质流率，进而提高了流量计灵敏度。两个并联的流量计分别产生指示流率和密度的信号。两个流量计将其输出信息传输到一个共用流量计电子单元中，该单元接收每个流量计的信息、推算质量流率和密度，进而计算出流量计中物质的流速和粘滞度。利用这样计算出的粘滞度以及密度、流量计流率、和流量计几何参数信息能够准确地推算出在整个管道中流动的物质的流率。

在本发明的又一个实施例中，由第二实施例的两个并联直管科里奥利流量计构成的一体化装置以分流方式工作以确定在相连的一根管道中物质的流动和粘滞度信息。

                       附图简介

通过阅读以下结合附图所作的详细描述可以更好地理解本发明的这些和其它优点及特征。

图1表示设置在两个管段之间的一根流管；

图2表示并联连接在两个管段之间的一对科里奥利质量流量计；

图3表示包括连接在两个管段之间的一对平行直管科里奥利质量流量计的一个一体化单元；

图4表示图3所示装置的横截面端视图；

图5表示其入口和出口与一根管道以分流方式相连的一对分开的科里奥利质量流量计；

图6表示以分流方式与一根管道相连的图3所示的科里奥利质量流量计；

图7与图5相似，不同之处在于流量计入口与管道701的内壁齐平；

图8为用于确定粘滞度的方法的流程图。

                       详细描述

对于图1的介绍

图1表示一根管道101，其在B点逐渐收缩至具有较小直径的一根管道102。经过一段短距离之后，管道102在C点突然扩大至具有与管道101相同直径的一根管道103。在其后推导使粘滞度与其它已知流体参数相关的方程时将参照图1。

对于图2的介绍

图2表示有效地并联连接在一根供应管道201和一根物质接收管道203之间的一对科里奥利质量流量计202和207。流量计202的入口204与供应管道201相连，流量计207的入口205也如此。物质出口208和209与接收管道203相连。这两个流量计，包括它们的入口和出口，对于物质流动具有不同的阻力，或者各个流量计的入口和出口以及内部流管的横截面具有不同的尺寸。路径216和217包括两个流量计的流量计电路206和210与驱动器和传感器之间的电连接。

在操作过程中，流量计202的流量计电路210和流量计207的流量计电路206通过路径216和217传输驱动信号，以使各个流量计的流管以其与从中流过物质的谐振频率振荡。这些包含流动物质的流管的振荡运动由设置在各个流量计中的速度传感器检测。各个流量计的传感器将表示由各个传感器检测的信号之间时间差或相位差的输出信息通过路径216和217传输到流量计电路206和210中。流量计电路210和206，以一种众所周知的方式，利用所接收的传感器信号推算出在与它们相关的各个流量计中流动物质的质量流率和密度。流量计电路210将其获得的信息通过路径218传输到流量计电路206中，因此，该电路具有流量计202和207两者所获得的信息。如下文中所详细描述的，流量计电路206利用两个流量计所获得的质量流率和密度信息计算在两个流量计中流动物质的流速，从而计算出流动物质的粘滞度。流量计电路206和210是本领域中众所周知的，可以包括Micro Motion RFT9739型发射器，这种发射器由Micro Motion公司(Boulder，Colorado 80301)制造。科里奥利流量计202和207可以是本领域中公知的任何一种类型，可取的是利用在上述的Smith等人的专利中记载类型的流量计。Smith等人的专利的公开内容以引用方式结合在本发明中以使本发明达到充分公开的程度。流量计202和207还可以是由Micro Motion公司(Boulder，Colorado 80301)制造和销售的CMF025型或CMF050型流量计。

图3和图4的介绍

图3和图4表示装置300，其由组合成一个装置的一对直管科里奥利流量计构成。第一流量计包括流动通道304及其相应的传感器线圈318、319和磁体M。第二流量计包括流动通道305及其相应的传感器线圈322、323和磁体M。流动通道304和305彼此平行。装置300具有一个入口301，用于从供应管道101中接收物质流。装置300还具有一个出口314，用于将流过流量计的物质传递到物质接收管道103中。

设置在流动通道304和305之间的空腔399中包含线圈321和相应的磁体M。这个线圈和磁体组合构成一个驱动器，该驱动器在受到经图4所示路径334从流量计电路206中接收的一个驱动信号的激励时，当物质从入口301向出口314流过时以它们共同的谐振频率振荡。流管和从中流过的物质流的同时振荡使得这些流管起两个直管科里奥利流量计的作用，其中在流动通道304和305中流动的物质受到科里奥利加速度的作用，其幅值与流管中物质的流率相关。这个加速度引起流管的变形和使由构成流动通道304的一对传感器的传感器线圈318/319输出的信号之间产生时间延迟。流动通道305的振荡运动利用传感器322和323检测。传感器线圈318和319的输出信号在时间上彼此偏移与流过流动通道304的质量流率相关的一个量值。传感器线圈322和323的输出信号也在时间上彼此偏移与流过流动通道305的质量流率相关的一个量值。这些信号通过图4所示的导线335、336和338传输到流量计电路206，其利用每一对信号时间上的偏移求得通过流动通道304/305的物质流率的信息。流动物质的密度根据振动流动通道304和305的谐振频率求得。然后，流量计电路206计算流动物质的物质流速和粘滞度。从入口端301进入流量计装置的物质由部件330分流，从而使一部分物质进入流动通道304，而另一部分进入通道305。进入流动通道304的物质在一个节流孔313处流出，由此物质进入出口314。进入通道305的物质经节流孔312流出流动通道。节流孔312包括一个限流部分，其使流动通道305中物质在进入出口314之前必须流经的区域横截面变窄和缩小。流动通道304和305的入口309和311的直径基本相同。同样，流动通道304和305的直径也基本相同。节流孔312与流动通道304相比减小了流动通道305的有效物质流载运能力。结果，流动通道304和305具有不同的物质流动特性，包括流速。这是本发明的一个重要方面，并且是流量计电路206求得在流动通道304和305中流动物质粘滞度的方法的必须部分。如果两个通道的流阻相同，则物质流速比值将保持为常数，而无法指示出流体的粘滞度。只有具有不同的流阻，使物质流速比值随粘滞度变化，才能计算出粘滞度。

图4为图3所示结构300的入口301的横截面端视图。图4中所示为流动通道304和305、流动结构300入口部分的外壁324以及入口开口301。图4中还表示了传感器线圈318和322以及它们相应的磁体M。导线335和336将流动通道304的传感器线圈318和319与流量计电路206相连。导线337和338将流动通道305的传感器线圈322和323与流量计电路206相连。流量计电路206的一个功能是从传感器线圈中接收输出信号，和测量各个传感器线圈对的信号之间的时间差，以求得在流动通道304和305中流动物质的质量流量和密度。流量计电路的另一个功能是计算流动物质的体积流率和流速。图4中所示的流量计电路206包括两个独立的流量计控制器所有的独立电路单元，例如Micro Motion 9739，但是它们享用相同的单元例如电源、驱动电路、和电子仪器外壳。粘滞度由流量计电路根据利用流动通道304和305的几何结构参数和在两个流管中物质流速比值求得的每个流动通道的质量流率和密度确定。这个信息输入流量计电路微处理器的ROM部分。这个结果表示在方程21中。图2、5和7中所示的流量计可以是具有不同流阻类型的流量计，例如Micro Motion的CMS100和CMS 050型。

图5的介绍

图5表示本发明的又一个实施例，该实施例包括一对流量计502和503，它们有效地并联连接，并且以分流方式工作，以测量诸如在管道501中流动物质的粘滞度之类的流动特性信息。管道501具有物质供应管道504和物质接收管道506。流量计502和503具有共用入口507，该入口分成流量计502入口508和流量计503入口509。单元511为流量计502的物质出口，单元512为流量计503的物质出口。由于流量计502入口、出口和流管的流动横截面面积与流量计503不同，这两个流量计具有不同的流阻，进而具有不同的载流能力。入口507的开口朝向上游，从而它受到管道501中物质流动的静压力和动压力。物质出口511和512的末端在接近管道中用T指示部分与管道501的内表面齐平，T部分包括由设置在管道501内部的结构513形成的文丘里管喉部。文丘里管513增加了流动物质的速度，同时降低了文丘里管喉部T处的物质压力。这种减小的压力在两个流量计的入口507和出口511/512之间产生巨大的压力降。这个压力降使得流量计灵敏度提高。

导线516和518为流量计电路210和206用于传输一个驱动信号以使各个流量计的流管振荡的电路路径，并且作为流量计传输它们的传感器输出信号的导线。这些输出信号使得流量计210和206能够以与结合图2和图3所示实施例所述的相同方式获得各个流量计的质量流率和其它信息。流量计电路206的ROM、RAM和微处理器是利用诸如两个流量计、管道、以及文丘里管喉部的物理参数编程的。流量计电路206还通过路径517从流量计电路210接收所获得的信息。流量计电路206利用这些信息，包括所获得的各个流量计的质量流率，并根据两个流量计承受相同的压力降的事实，利用两个流量计之间的物质流速比值，求出流动物质的粘滞度。它还可利用在流量计中流动物质与在管道501中流动物质的比率求得。综上所述，管道501中的质量流率是如在上述共同申请(美国申请号为08/587,550)中所详述的那样确定的。可取的是，科里奥利质量流量计502和503为在前述的Smith等人的专利中所述类型的流量计。它们还可以是由MicroMotion公司(Boulder，Colorado 80301)制造和销售的CFMO25和CFMO50型流量计。

对于图6的介绍

图6表示图3中所示装置以分流方式与一根管道601相连。入口301由连接管602连接到管道601内壁上的开口604。出口314由连接管603连接到管道601内壁上的一个开口605。元件606构成一个在接近开口605处具有喉部T的文丘里管。由于在T处的物质压力远低于上游604处的压力，当物质在管道601中向下游流动时，流量装置及其流动通道304和305承受巨大的压力降。图6所示的流动通道304/305以与图4所示的相同方式工作，并如图5所示利用流量计电路206求得分流方式下在管道601中流动物质的粘滞度和质量流率。图6所示的流量计电路206是如图4所示的一个双重单元，它可获得流动通道304和305的物质流动信息。

对于图7的介绍

图7与图5相似，不同之处在于流量计502和503的入口508和509与管道501的内壁齐平。

粘滞度方程的推导

下面给出的数学推导表明如何从流动物质的流率、密度、和流速推导出物质粘滞度。推导是基于图1和图2所示结构进行的。推导利用了这样的事实，在平衡时，驱动物质流过流动通道的压力等于在这些通道中的粘滞压力降。对于其它类似的结构可以使用相同的方法以获得不同的方程，但是仍然是从中可以获得粘滞度的方程。在任何结构中关键的因素是它必须包含两条具有不相等流阻的平行流动路径。

为了理解以下关于本发明如何确定物质粘滞度的描述，有必要限定和理解诸如静压力、总压力和动压力等术语。静压力是我们最为熟悉的一种压力。它是静态物质(轮胎中的气体)的压力。运动物质也具有静压力。在一根管道中运动物质的静压力是通过使压力计的入口垂直于管道中物质运动方向测得的。使压力计入口朝向管道上游所测得的压力高于静压力。朝向入口的上游与垂直于朝向入口的静压力之间的压力差为物质的动态压力。这种动态压力是物质动能的一种量度，并由下列方程表示：

$\left(1\right)------P_d=\frac{{\mathrm{\ρV}}^2}{2}$

                    P_d＝动压力

                    ρ＝物质密度

                    V＝物质流速

管道中物质的动压力可以通过降低物质流速同时避免湍流而转换成静压力。这通常是利用一个长的缓锥体实现的，该圆锥体增大了物质传输管道的直径和减小物质流速。管道直径的急剧增大导致动能转换成湍流和热能，而不是增大的静压力。其结果是造成管道中总压力TP的损失。

通过将管道中锥体反置使得管道直径变小和物质流速增大还可以将静压力转换成动压力。将静压力转换成动压力比将动压力转换成静压力较为容易，因为减小的管道直径倾向于减少湍流和能量损失。

管道中总压力TP定义为静压力Ps和动压力Pd之和。根据Bernoulii定理，如果湍流和粘滞度损失可以忽略不计，当物质压力在静压力与动压力之间转换时，管道中流动物质的总压力保持不变，但是，实际上，湍流和粘滞度损失使总压力减小了。粘滞度损失在前一半推导过程中忽略不计，但是在后半段推导中予以考虑。

图1表示一根管道101在B点逐渐收缩为具有较小直径的一根管道102。在一段短的距离之后，管道102在C点急剧扩大并入与管道101具有相同直径的一根管道103。将B点与C点之间的压力降确定为A点与D点之间的压力在推算粘滞度时是有用的。因为A点的管道直径与D点相同，所以在A点和D点的动压力Pd也必然是相等的。连续性要求A点和D点的流率也是相等的。这意味着A点与D点之间的总压力TP之差一定等于A点与D点之间的静压力之差。对于B点和C点也同样成立。应当指出，C-D之间出现急剧的转换，在这里产生湍流，并且造成总压力的损失。

在图1中，管道101在B点的上游收缩的目的是使总压力TP守恒。当物质加速进入具有较小直径的管道102时，在A点的一部分静压力Ps转换为在B点的动压力Pd。在B点的动压力Pd(动能)大于在A点的动压力。在C-D之间的下游转换是急剧的，使得当管道102中的物质进入具有较大直径的管道103，并且没有转换回静压力Ps(D点的Ps小于A点的Ps)时，管道102中的物质在C点增大的动能(动压力)(与在A点的动压力比较)损失了，造成在D点的静压力小于在A点的静压力。与在A点的静压力比较，在D点的静压力减小了。这个损失的能量可以由下式量化。

$\left(2\right)-----\mathrm{\δ}{P}_L=\frac{\mathrm{\ρ}(V_C^2-V_D^2)}{2}$

                    δP_L＝湍流压力损失

                    ρ＝物质密度

                    V_C＝管道102中的物质流速

                    V_D＝管道103中的物质流速能量损失为C点与D点之间动压力之差。与在平缓转换中不同，这个能量差没有转换回在D点的静压力，而是损失在湍流中。这意味着静压力在C点与D点之间没有发生转换，而总的压力降低量可以由方程(2)给出。

$\left(3\right)-----{\mathrm{TP}}_L={\mathrm{TP}}_D+\frac{\mathrm{\ρ}(V_C^2-V_D^2)}{2}$

                    TP_D＝在D点的总压力

                    TP_C＝在C点的总压力在C点的总压力大于在D点的总压力，其差值等于湍流压力能量损失。在C点和D点的总压力可以表示为在各个点的静压力和动压力之和。

$\left(4\right)-----P_C+\frac{\mathrm{\ρ}{V}_C^2}{2}{=P}_D+\frac{\mathrm{\ρ}{V}_D^2}{2}+\frac{\mathrm{\ρ}(V_C^2-V_D^2)}{2}$

                    P_C＝在C点的静压力

                    P_D＝在D点的静压力通过取消一些项可以将方程4简化为下式。

(5)               P_C＝P_D因此，它表明在D点出口管道103处的静压力等于在C点管道102出口处的静压力。这个静压力小于在A点的静压力。这个差值等于方程2表示的动压力损失。

如果假定转换区足够短，使得粘滞度损失可以忽略不计，并且转换足够平缓，使得能量没有损失为湍流，则在管道102入口B点处的静压力可以根据在A点的总压力确定。根据Bernoulli定理，在A点的总压力等于在B点的总压力。

(6)        TP_A＝TP_B       TP_A＝在A点的总压力

                            TP_B＝在B点的总压力用静压力加动压力代替在A点和B点的总压力，得到以下方程：

$\left(7\right)-----P_A+\frac{{\mathrm{\ρV}}_A^2}{2}=P_B+\frac{\mathrm{\ρ}{V}_B^2}{2}$

                    P_A＝在A点的静压力

                    P_B＝在B点的静压力

                    V_A＝在A点的物质流速

                    V_B＝在B点的物质流速

这个方程可以简化为：

$\left(8\right)-----P_B=P_A+\frac{\mathrm{\ρ}(V_A^2-V_B^2)}{2}$ 在B点和C点之间的静压力差现在将方程5和方程8的静压力值相减可以得到DP_B-C。

$\left(9\right)-----D{P}_{B-C}=P_A+\frac{\mathrm{\ρ}(V_A^2-V_B^2)}{2}-P_D$

图2表示一根管道201分成不等直径的两根管道204和205。每个流动路径204/205包含一个科里奥利流量计202/207以确定各个管道中物质的密度和质量流率。根据这些参数可以确定各个管道204/205中物质的流速。在流量计的下游，这两根管道208/209会集成一根管道D，与在上游A点直径相同。与前述一样，很显然，两根管道204/205在上游B点的收缩的目的是储藏总压力，而在下游C点急剧的扩大使得当管道208/209中物质在D点进入较大的管道203时其多余动能损失掉。

驱动物质流过图2所示流量计1和2(202和207)的压力DP由下列方程给出，与方程9一样。

对于流量计1

$\left(10.1\right)-----D{P}_1{=P}_A+\frac{\mathrm{\ρ}(V_A^2-V_1^2)}{2}-P_D$

           DP₁＝流量计1的驱动压力降

                    P_A＝在A点的静压力

                    P_D＝在D点的静压力

                    V_p＝在A点的流速(管线)

                    V₁＝在流量计1中的流速

                    ρ＝物质密度

                    V_A＝在A点的流速

对于流量计2

$\left(10.2\right)---{\mathrm{DP}}_2=P_A+\frac{e(V_A^2-V_2^2)}{2}-P_D$

                   DP₂＝流量计2的驱动压力降

                   V₂＝在流量计中的流速

在平衡条件下，驱动物质流过流量计1和2的压力(方程10.1和10.2)等于流量计中的压力降或流阻。

(11.1)          DP₁＝δP₁   δP₁＝流量计1的压力降

                              1

(11.2)          DP₂＝δP₂   δP₂＝流量计2的压力降将方程10.1和10.2代入方程11.1和11.2，并将方程10的动能项从该方程两侧相减，得到：

$\left(12.1\right)-----P_A-P_D={\mathrm{\δP}}_1-\frac{\mathrm{\ρ}(V_A^2-V_1^2)}{2}$

$\left(12.2\right)-----P_A-P_D=\mathrm{\δ}{P}_2-\frac{e(V_A^2-V_2^2)}{2}$

这些方程可以应用于图2所示的两个流量计。因为方程12.1和12.2的左侧是相同的，所以其右侧相等。

$\left(13\right)-----P_A-P_D=\mathrm{\δ}{P}_1-\frac{\mathrm{\ρ}(V_A^2-V_1^2)}{2}={\mathrm{\δP}}_1-\frac{\mathrm{\ρ}(V_A^2-V_2^2)}{2}$

第一项，P_A-P_D可以消掉，将剩余的方程项简化可以得到：

$\left(14\right)-----\mathrm{\δ}{P}_1+\frac{{\mathrm{\ρV}}_1^2}{2}={\mathrm{\δP}}_2+\frac{\mathrm{\ρ}{V}_2^2}{2}$

利用物质粘滞度获得的流量计1和2中的压力降δP₁和δP₂可以用Darcey公式表示。表示其它几何结构和流动方式的别的压力降公式也可以使用，而不会影响最后的解。Darcey公式为：

$\left(15.1\right)-----\mathrm{\δ}{P}_1=f_1\frac{L_1}{d_1}\frac{{\mathrm{\ρV}}_1^2}{2}$

                         f₁＝流量计1摩擦因子

                         L₁＝流量计1管道长度

                         d₁＝流量计1管道直径

                         V₁＝流量计1物质流速

$\left(15.2\right)-----\mathrm{\δ}{P}_2=f_2\frac{L_2}{d_2}\frac{{\mathrm{eV}}_2^2}{2}$

                         f₂＝流量计2摩擦因子

                         L₂＝流量计2管道长度

                         d₂＝流量计2管道直径

                         V₁＝流量计2物质流速将方程15代入方程14得到：

$\left(16\right)----f_1\frac{L_1}{d_1}\frac{\mathrm{\ρ}{V}_1^2}{2}+\frac{{\mathrm{\ρV}}_1^2}{2}=f_2\frac{L_2}{d_2}\frac{{\mathrm{\ρV}}_2^2}{2}+\frac{\mathrm{\ρ}{V}_2^2}{2}$

在从方程两边消掉密度ρ之后，这个方程可以简化为下式：

$\left(17\right)----V_1^2(f_1\frac{L_1}{d_1}+1)=V_2^2(f_2\frac{L_2}{d_2}+1)$

求解两根管道中物质的流速比(平方项)，得到下式：

$\left(18\right)----\frac{V_2^2}{V_1^2}=\frac{f_1\frac{L_1}{d_1}+1}{f_2\frac{L_2}{d_2}+1}$

对于流过平滑管道的湍流，可以利用Blasius公展开摩擦系数f₁和f₂。

$\left(19\right)----f_n=.\frac{316}{{\mathrm{Re}}^{.25}}$       Re＝雷诺数

                           其中：

$\left(20\right)---\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρVd}}{\mathrm{\μ}}$       μ＝粘滞度

应当指出，对于不同的流动状态、表面粗糙度、流管几何结构等还有其它的摩擦因子算法。这些基于雷诺数或物质粘滞度的方法中的任何一种都足以用于下述的确定粘滞度的方法。将方程19和20代入18得到：

$\left(21\right)----\frac{V_2^2}{V_1^2}=\frac{{\left[\frac{.316}{{\left(\frac{{\mathrm{\ρV}}_1{d}_1}{\mathrm{\μ}}\right)}^{.25}}\right]}^{\left(\frac{L_1}{d_1}\right)+1}}{{\left[\frac{.316}{{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{V_2{d}_2}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{.25}}\right]}^{\left(\frac{L_2}{d_2}\right)+1}}$

因为每个流量计测量其自己的质量流量和密度，所以可以将质量流率除以密度获得其体积流量。于是可以将体积流率除以流动通道横截面面积计算出各个流量计的流体流速。由于各个流量计的长度和直径是已知的常数，所以这个方程中除了粘滞度以外所有参数都是已知的。为了简化粘滞度解的表示式，将已知的参数合并为三个常数。

$\left(22\right)------k_1=\frac{{.316L}_1}{{\left({\mathrm{\ρV}}_1{d}_1\right)}^{.25}{d}_1}$

$\left(23\right)----k_2=\frac{.316L_2}{{\left({\mathrm{\ρV}}_2{d}_2\right)}^{.25}{d}_2}$

$\left(24\right)-----k_3=\frac{V_2^2}{V_1^2}$

将方程22、23和24代入方程21得到下列方程。

$\left(25\right)----k_3=\frac{k_1{\mathrm{\μ}}^{.25}+1}{k_2{\mathrm{\μ}}^{.25}+1}$

方程25现在可以求解粘滞度，得到下列方程(26)。

$\left(26\right)-----\mathrm{\μ}={\left(\frac{1-k_3}{k_3{k}_2-k_1}\right)}^4$

因此，它表明粘滞度可以利用并联连接的具有不等流阻的流动通道测定。各个通道中的流体流速和流体密度可以利用一个科里奥利流量计测得。这个信息加上通道的几何参数足以用来计算粘滞度。现代的微处理器诸如在科里奥利流量计中已有的电子控制微处理器(如Micro Motion RFT9739)能够用于计算上列表示式和确定流体粘滞度。

从方程21可以看出，确定物质粘滞度涉及确定由方程21中等号的左边和右边的项表示的两个流量计中的物质流速。确定物质粘滞度还涉及在方程21右边表示的流量计常数。这些常数包括用L₁和L₂表示的流量计管的长度以及用d₁和d₂表示的流管直径。每个流量计在其正常的工作范围内计算在其中流动的物质的质量流率。每个流量计还求出其中的物质密度。因此，物质的体积流率是由各个流量计确定的，各个流量计还确定质量流率和密度。然后利用流动通道面积求得物质流速，流速等于体积流率除以流动通道的横截面面积。这个横截面面积信息是根据方程21的项d₁和d₂求得的。这些参数和流管长度L₁和L₂都是已知的流量计参数的一部分。

所有与流量计参数有关的这些信息都编程在流量计电子单元206中。流量计电路206接收来自流量计电路210的与第一流量计有关的流动信息，并求得另一个流量计的流动信息。单元206响应其存储、接收、和求得的信息确定流动物质的质量流率和密度。然后单元206利用其中编程以求解方程21的流量计物理参数诸如长度和直径求出在流量计中流动物质的粘滞度，以及当流量计以分流方式工作时在管道中流动物质的粘滞度。

如果需要的话，单元206可以由Micro Motion公司制造的RFT9739型流量发射器构成。根据本发明，RFT9739在将各个流量计的常数如L1和L2编程之后，在接收到从正在工作的各个流量计传感器输出的信号时求解方程25。然后RFT9739响应这些预先编程信息中的信号进行运算以获得质量流率、物质密度、体积流率、物质流速。在求得这些参数后，RFT9739确定物质粘滞度。

对于图8的介绍

图8表示本发明的装置和方法计算在并联连接的两个流量计中流动物质的粘滞度的方法。该方法从步骤800开始，进入步骤801，在这个步骤中将已知的流量计物理参数输入计算处理装置如微处理器中。这些参数包括d1、d2、L1、和L2。在计算出这些参数之后，该方法进入步骤802，在这个步骤利用流量计传感器的输出信号以公知方式计算出质量流率M₁、M₂，和密度ρ₁、ρ₂。

该方法在步骤803利用下列方程以公知方式计算出流体流速V₁和V₂：

$V=\frac{4\stackrel{.}{M}}{{\mathrm{\ρ\Πd}}^2}$

这种计算对于各个流量计是独立进行的。换句话说，这个方程求解两次，一次是针对第一流量计求解V₁，第二次是针对第二流量计求解V₂。

该方法接着进入步骤804，利用方程21确定流动物质的粘滞度：

$\left(21\right)----\frac{V_2^2}{V_1^2}=\frac{{\left[\frac{.316}{{\left(\frac{{\mathrm{\ρV}}_1{d}_1}{\mathrm{\μ}}\right)}^{.25}}\right]}^{\left(\frac{L_1}{d_1}\right)+1}}{{\left[\frac{.316}{{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{V_2{d}_2}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{.25}}\right]}^{\left(\frac{L_2}{d_2}\right)+1}}$

在确定粘滞度和在步骤804之后，该方法进入步骤805，在这个步骤可以将求得的粘滞度信息输出。

可以很清楚地理解，所要求保护的本发明并不局限于所述的优选实施例，而是包括在本发明构思和范围内所做的其它改进和替换。

在本申请中所使用的文丘里管的术语定义为流动通道的一部分，该部分首先减小流动面积，然后在一个区域逐渐增大，使得当流体静压力转换成动压力，然后又转换回静压力时流体总压力基本保持守恒。

Claims (21)

1、一种测定流动物质粘滞度的装置，所说装置包括：

一个第一科里奥利质量流量计(502)，其具有可与一个物质源(504)相连的入口(508)和可与一个物质接收装置(506)相连的一个出口(511)；

其特征在于所说装置还包括：

一个第二科里奥利质量流量计(503)，其具有可与所说物质源相连的一个入口(509)和可与所说物质接收装置相连的一个出口(512)；

所说第二科里奥利质量流量计对于物质流动具有与所说第一科里奥利质量流量计不同的流阻；

流量计电路(206、210)在物质从所说物质源流向所说物质接收装置过程中流过所说第一和第二科里奥利流量计时工作，其首先测量流过两个流量计的物质密度和流过各个流量计的质量流率，接着根据所测量的各个流量计的密度和质量流率计算各个流量计的物质流速值，最后根据各个物质流速计算值计算流动物质的粘滞度。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于所说物质源包括物质供应管道(504)和所说物质接收装置包括一个物质接收管道(506)；

装置(507)，用于将彼此并联的所说科里奥利质量流量计的入口与所说物质供应管道有效地连接；

所说科里奥利质量流量计的出口(314)彼此并联地与所说物质接收管道有效地连接；

其中从所说物质源向所说物质接收管道流动的所说物质经由所说并联连接的科里奥利质量流量计，使所说流量计产生与所说流动物质粘滞度有关的信息。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于所说第一和第二科里奥利质量流量计共同包括：

一个细长主体(300)；

所说细长主体的一个上游端部，其包括一个入口(301)，用于接收从所说物质源(101)流过所说细长主体的物质；

所说主体的一个下游端部，其包括一个出口(314)，用于排放通过所说细长主体流向所说物质接收装置的物质；

位于所说主体内的一对流动通道(304，305)，其具有基本平行于所说主体纵轴的纵轴；

装置(314)，其将所说流动通道的下游端与所说主体的下游端部相连；

装置(330)，其将所说流动通道的上游端与所说主体的上游端部相连；

来自所说物质源(101)的物质进入所说主体入口，并通过所说流动通道和所说主体的出口流至所说物质接收装置；

装置(M，321)，用于使所说流动通道相对于彼此横向振动；和

装置(206)，其包括传感器装置(318，319，M)，当物质流过所说流动通道时响应所说的振动获取有关物质流动特性的信息，所述信息包括粘滞度。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于所说细长主体设置在其中有物质流动的一根管道(300)内部，所说物质源包括所说管道的上游部分(101)，所说物质接收装置包括所说管道的下游部分(103)。

5、如权利要求3所述的装置，其特征在于所说细长主体的所说入口与包括所说物质源的一根第一管道(101)相连，所说细长主体的所说出口与包括所说物质接收装置的一根第二管道(103)相连。

6、如权利要求3所述的装置，其特征在于所说物质源包括一根管道的内部上游部分(101)，所说物质接收装置包括所说管道的下游部分(103)；

所说细长主体(300)设置在所说管道(601)外部；

装置(604)，用于将所说细长主体的所说入口与所说管道的所说上游部分内的物质相连；

装置(605)，用于将所说细长主体的所说出口与所说管道的所说下游部分的内部相连；

从所说管道流过的物质中的一部分在所说管道的所说上游部分被分流至所说细长主体的入口，然后流过所说细长主体的所说流动通道，并经所说细长主体的所说出口流到所说管道内部的下游部分。

7、如权利要求6所述的装置，其特征在于所说管道内部的所说下游部分包括设置在接近所说管道内部位置的一个文丘里装置(606)，所说细长主体的所说出口与所说管道内部相连；

所说文丘里装置有效地降低了在所说管道接近所说出口处的物质压力。

8、如权利要求1所述的装置，其特征在于所说物质源包括一根管道的上游部分(504)，所说物质接收装置包括所说管道内部的下游部分(508)；

所说第一(502)和第二(503)科里奥利质量流量计设置在所说管道外部；

装置(507)，用于将所说彼此并联的科里奥利质量流量计的所说入口有效地与所说管道的所说上游部分相连；

所说科里奥利质量流量计的所说出口彼此并联地与所说管道内部的下游部分有效地相连；

从而在所说管道中流动物质的一部分在所说管道的所说上游部分被从所说管道中分流到所说科里奥利质量流量计，然后流过所说所说科里奥利质量流量计，并在所说管道内部的所说下游部分返回所说管道中。

9、如权利要求8所述的装置，其特征在于所说管道内部的下游部分包括设置在接近所说管道的内部下游部分的一个文丘里装置(513)，所说科里奥利质量流量计的所说出口与所说管道内部的下游部分相连；

所说文丘里装置有效地降低了接近所说科里奥利流量计出口处的所说物质的压力。

10、测定流动物质粘滞度的一种方法，所说方法包括以下步骤：

物质流过一个第一科里奥利质量流量计(502)，该流量计具有可与一个物质源(504)相连的一个入口(508)和可与一个物质接收装置(506)相连的一个出口(511)；

其特征在于所说方法还包括以下步骤：

物质同时流过一个第二科里奥利质量流量计(503)，该流量计具有可与所说物质源相连的一个入口(509)和可与所说物质接收装置相连的一个出口(512)；

所说第二科里奥利质量流量计对于物质流动具有与所说第一科里奥利质量流量计不同的流阻；

在物质从所说物质源流向所说物质接收装置过程中流过所说第一和第二科里奥利流量计时使流量计电路(206、210)工作，其首先测量流过两个流量计的物质密度和流过各个流量计的质量流率，接着根据所测量的各个流量计的密度和质量流率计算各个流量计的物质流速值，最后根据各个物质流速计算值计算流动物质的粘滞度。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于所说物质粘滞度是由以下步骤确定的：

确定所说第一和第二科里奥利质量流量计的物理参数；

确定所说第一和第二科里奥利质量流量计中的物质密度和质量流率，和

确定所说第一科里奥利质量流量计中的物质流速和所说第二科里奥利质量流量计中的物质流速；和

确定所说的物质粘滞度。

12、如权利要求10所述的方法，其特征在于所说物质源包括一根物质供应管道(504)，其中所说物质接收装置包括一根物质接收管道(506)；

所说科里奥利质量流量计的所说入口(508，509)可以彼此并联地与所说物质供应管道有效地相连；

所说科里奥利质量流量计的所说出口(511，512)可以彼此并联地与所说物质接收管道有效地相连；

从而所说方法包括以下步骤：使所说物质从所说物质源经由所说并联连接的科里奥利质量流量计流至所说物质接收装置管道，以使所说流量计产生有关所说流动物质粘滞度的信息。

13、如权利要求10所述的方法，其特征在于所说第一和第二科里奥利质量流量计共同包括：

一个细长主体(300)；

所说细长主体的一个上游端部(330)，其包括一个入口(301)，用于接收从所说物质源(101)流过所说细长主体的物质；

所说主体的一个下游端部，其包括一个出口(314)，用于排放通过所说细长主体流向所说物质接收装置的物质；

位于所说主体内的一对流动通道(304，305)，其具有平行于所说主体纵轴的纵轴；

其中所说方法还包括以下步骤：

将所说流动通道的下游端与所说细长主体的所说下游端部相连；

将所说流动通道的上游端与所说细长主体的上游端部相连；

来自所说物质源的物质进入所说细长主体的所说入口，通过所说流动通道和所说细长主体的所说出口流到所说物质接收装置；

使所说流动通道彼此相对横向振动；和

当物质流过所说通道时响应所说振动获取有关所说物质流的信息，包括粘滞度。

14、如权利要求12所述的方法，其特征在于所说物质粘滞度是由以下步骤确定的：

确定所说第一和第二科里奥利质量流量计的物理参数；

确定在所说第一和第二科里奥利质量流量计中的物质密度和质量流率，

确定所说第一科里奥利质量流量计的物质流速和所说第二科里奥利质量流量计的物质流速；和

确定所说的物质粘滞度。

15、如权利要求13所述的方法，其特征在于包括将所说细长主体设置在其中有物质流动的一根管道内部的步骤，其中所说物质源包括所说管道的上游部分内的物质，所说物质接收装置包括所说管道内部的下游部分。

16、如权利要求13所述的方法，其特征在于包括将所说细长主体的所说入口与包括所说物质源的一根第一管道相连，和将所说细长主体的所说出口与包括所说物质接收装置的一根第二管道相连的步骤。

17、如权利要求13所述的方法，其特征在于所说物质源包括一根管道的上游部分，所说物质接收装置包括所说管道内部的下游部分；

所说细长主体设置在所说管道外部；

所说方法还包括以下步骤：

将所说细长主体的所说入口与所说管道的所说上游部分相连；和

将所说细长主体的所说出口与所说管道的所说下游部分相连；

流过所说管道的物质流的一部分从所说管道的所说上游部分分流到所说细长主体的所说入口，然后流经所说细长主体的所说流动通道和所说细长主体的所说出口，流到所说管道内部的下游部分中。

18、如权利要求17所述的方法，其特征在于它包括在接近所说管道内部的位置设置一个文丘里装置的步骤，所说细长主体的所说出口与所说管道内部相连；

所说文丘里装置有效地降低了所说管道中接近所说出口处的物质压力。

19、如权利要求10所述的方法，其特征在于所说物质源包括一根管道的上游部分，所说物质接收装置包括所说管道内部的下游部分；

所说第一和第二质量流量计设置在所说管道外部；

所说方法还包括以下步骤：

将所说科里奥利质量流量计彼此并联地与所说管道的所说上游部分有效地相连；和

将所说科里奥利质量流量计彼此并联地与所说管道的所说内部下游部分相连；

从而使在管道中流动物质的一部分在所说管道的上游部分从所说管道分流到所说科里奥利质量流量计中，然后流经所说科里奥利质量流量计，并在所说管道的内部下游部分返回到所说管道中。

20、如权利要求19所述的方法，其特征在于所说物质粘滞度由以下步骤确定：

确定所说第一和第二科里奥利质量流量计的物理参数；

确定在所说第一和第二科里奥利质量流量计中的物质密度、物质流速和质量流率，

确定所说第一科里奥利质量流量计的所说物质流速与所说第二科里奥利质量流量计的所说物质流速的比值；和

确定所说物质粘滞度。

21、如权利要求19所述的方法，其特征在于所说管道的所说内部下游部分包括设置在所说管道内部下游部分附近处的一个文丘里装置，所说科里奥利质量流量计的所说出口与所说管道的内部下游部分相连；

所说文丘里装置有效地降低了所说管道中所说出口附近处的物质压力。

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